一、项目基本技能
任务一 车辆电器结构的认识
工农业生产和日常生活中经常使用一些电器，我们仔细观察就会发现，刚刚使用过的电器温度会升高，比如长时间使用的电脑、运行中的数控车床电机等。这是什么原因呢？这是因为电流通过电气元件时，会产生热量，这些热量一部分通过传导、对流等方式散到周围介质中去，另一部分则使电器的温度升高。温度过高，会使电器的导电性、导磁性、绝缘性等性能下降，缩短电器的使用寿命。那么，电器是如何发热的，又怎样防止电器的温度过高呢？
（一）电器的发热及冷却
1.电器的定义
由于电能与其他形式的能相比具有输送安全、经济，生产、使用方便，极易转换和便于调整、控制等优点，因此在生产、生活及一切科学技术应用领域中获得了广泛的应用，极大地促进了生产的发展、科学技术的进步，空前地改善了人类的生存环境，电是社会现代化的基石。然而，电能从产生、输送到应用，是一个复杂的过程，同时也需要一系列控制、调整、保护装置的作用才能很好地完成。城市轨道交通车辆一般是从接触网或第三轨受取电能，由牵引电机将电能转变为机械能从而驱动车辆运行。车辆要在既安全又简便的操纵下获得不同工况下的良好运行性能，就需要一系列不同性能、不同作用、不同型号的电器设备可靠地工作。电气部件的工作贯穿于车辆的整个操纵过程。例如，对电路实行通、断控制，对电动机实行启动、制动、正转和反转控制，对用电设备进行过载、短路、过压等故障的保护，在电路中传递、转换、放大电或非电的信号，自动检测电气设备的电压、电流、频率等信号，以及控制车门开、关等，都需要用不同的电器来完成。
所以，电器泛指所有用电的器具，从专业角度上来讲，主要指用于对电路进行接通、分断，对电路参数进行变换，以实现对电路或用电设备的控制、调节、切换、检测和保护等作用的电工装置、设备和元件。
2.电器的分类
电器的用途广泛，产品种类繁多，功能多种多样，原理、结构各异，所以有多种不同的分类方法。
按用途分类：
（1）控制电器：用于各种控制电路和控制系统的电器，如接触器、继电器、电动机起动器等。
（2）主令电器：用于自动控制系统中发送动作指令的电器，如按钮、行程开关、万能转换开关等。
（3）保护电器：用于保护电路及用电设备的电器，使其免受不正常的高电压、大电流的损害，如熔断器、热继电器、各种保护继电器、避雷器等。
（4）执行电器：用于完成某种动作或传动功能的电器，如电磁铁、电磁离合器等。
（5）配电电器：用于电能的输送和分配的电器，如高压断路器、隔离开关、刀开关、自动空气开关等。
（6）调节电器：用于自动调节电路和设备，使设备电气参数保持给定值，如温度调节器、电压调节器等。
（7）仪用变流和变压器：用于将高电压及大电流变为低电压、小电流，以供仪表测量或继电器保护电路之用，如电流互感器、电压互感器等。
（8）受流器：用于接收电网电能，以作为机车电源，如受电弓、集电靴等。
（9）成套电器：有一定数量的电器按一定的电路要求组合的整体电器屏柜，如高压柜、控制屏、信号屏等。
按动作原理分类：
（1）手动电器：用手或依靠机械力进行操作的电器，如手动开关、控制按钮、行程开关、司机控制器等主令电器。
（2）自动电器：借助于电磁力或某个物理量的变化自动进行操作的电器，如接触器、各种类型的继电器、电磁阀等。
按工作原理分类：
（1）电磁式电器依据电磁感应原理来工作，如接触器、各种类型的电磁式继电器等。
（2）非电量控制电器依靠外力或某种非电物理量的变化而动作，如刀开关、行程开关、按钮、速度继电器、温度继电器等。
按接入电路的电压分类：
按其工作电压的高低，以交流1200V、直流1500V为界，可划分为高压电器和低压电器两大类。
按电器执行功能分类：
（1）有触点电器：通断电路的执行功能由触头来实现的电器，如各种继电器、接触器等。
（2）无触点电器：通断电路的执行功能是根据开关元件输出信号的高低电平来实现的电器，如各种电子式继电器等。
3.车辆电器的分类
按电器所接入的电路分类：
（1）主电路电器：接在动力回路中的电器，如受电弓、断路器、高压连接器、避雷器、互感器等。
（2）辅助电路电器：使用在辅助电路中的电器，如辅助机组、空气压缩机回路、通风机、照明电路中的各种电器等。
（3）控制电路电器：用于控制和操纵主、辅电路的电器，如各种低压电器、电空阀、自动开关、司机控制器等。
按电器的用途分类：
（1）控制电器：用于各种控制电路和控制系统的电器，如接触器、继电器、司机控制器、按钮开关等。
（2）保护电器：用于保护电路及用电设备的电器，使其免受不正常的高电压、大电流的损害，如熔断器、热继电器、各种保护继电器、避雷器等。
（3）检测电器：用于与其他设备配套，检测各电路电压、电流、车辆运行速度等的电器，如互感器、传感器等。
（4）受流器：用于在接触网或第三轨受取电能的电器，以作为机车电源，如受电弓、集电靴等。
4.车辆电器的工作特点
轨道交通车辆电器由于工作条件和环境与一般的工业企业用电器截然不同。其工作特点有以下几点：
（1）连续而强烈的机械振动和断续的机械冲击。
列车运行中轮对与钢轨接触，轨枕变形会使机车产生振动，列车在行驶弯道、启动、制动时震动会加剧，车辆上的旋转设备也会引起振动，这些振动和冲击会在电器内部产生惯性力，从而破坏电器内部各力之间的分布，如果不加考虑，则会引起电器的误动作。
（2）工作环境恶劣。
a.周围空气污染相当严重。车辆运行过程中，空气形成涡流，易将大气中的粉尘及其他污染物带入电器内部，同时雨雪还会侵蚀安装在车辆顶部和下部的电器，从而降低电器的绝缘能力，严重时还会影响其正常工作。
b.轨道车辆电器工作环境的温度变化范围大，工作时车内温度很高，车底及车顶冬天温度很低。要求电器允许的温度范围是-40～40℃，而且在-40℃时能存放。因此，车辆电器所用的材料（尤其是绝缘材料）必须适应这种情况。
c.轨道车辆的电器要在相对湿度90%的条件下可靠地工作。
（3）轨道车辆正常运行时操作频繁。
由于列车常有启动、制动及调速的操纵，操作频率相当高，对电器的机械磨损和电磨损必须给予重视。
（4）电器的安装受车辆空间尺寸的限制。
安装车辆电器的实际空间尺寸是有一定限度的，因此，对电器的安装方式、外形尺寸以及大小等都必须严格考虑，使其在有限的空间内安装紧凑，便于维修。
尽管车辆电器的工作条件十分恶劣，但必须要保证它具有足够的可靠性，因为任何一个电器的损坏或误动作，都有可能导致列车阻塞，运输中断，甚至可能危及乘客的生命。
对车辆电器的总体要求是：动作准确可靠，质轻体小，有足够的电气寿命和机械寿命，经济耐用，有较高的操作频率且能耗小、便于维修等。
（二）电器的发热与电动力
1.概述
电器都有载流系统，在工作过程中会产生各种损耗，大部分会转变为热能，其中一部分散发到周围介质中去，另一部分加热电器的零部件，使其温度升高。即电气运行中，不可避免地伴随着热效应和电动力效应。
电器的零部件主要由导电材料、导磁材料和绝缘材料等组成。电器的温度超过某一极限值以后，会使导电材料的机械强度明显下降，有触点电器的触头表面氧化加剧，氧化膜引起接触电阻增加，工作可靠性降低，甚至使触头熔焊不能正常工作。
电器的温度过高、发热持续时间过长会使导磁材料的机械强度下降，导磁性能变坏，超过一定温度甚至可能失去导磁性。
电器的温度过高、发热持续时间过长会使其绝缘材料迅速老化，使用寿命缩短，绝缘温度受到破坏，甚至会使介质损耗增加，发热更厉害，造成恶性循环，导致其介电强度下降，严重时还会引起击穿而损坏。
2.电器的发热
电器在工作过程中，电流通过导体会产生电阻损耗，铁磁体在交变磁场作用下会产生磁滞和涡流损耗，绝缘体在交变磁场作用下会产生介质损耗，触头通断一定电流和电压的电路时会产生高温电弧（电弧电阻损耗）等。上述损耗会转变为热能，使电器发热，温度升高。常见的损耗有电阻损耗、磁滞与涡流损耗和高压电器的介质损耗。
（1）直流电流通过导体的电阻损耗。
按焦耳定律来进行计算，计算公式如下：
W＝I2Rt
式中：W——电阻损耗（W）；
I——通过导体的电流（A）；
R——导体电阻（Ω）；
t——导体通过电流的时间（s）。
（2）交流电流通过导体的电阻损耗。
集肤效应：当高频交变电流通过导线时，电流密度在导线横截面上的分布是不均匀的，导体中心部分的电流密度小，导体表面部分的电流密度大，电流将集中在导体表面流通，且随着电流变化频率的升高电流越来越集中于导体的表面附近，导体内部的电流却越来越小的现象称为集肤效应，也叫趋肤效应。频率越高，集肤效应也越显著。
邻近效应：当高频电流在两导体中彼此反向流动或在一个往复导体中流动时，电流会集中于导体邻近侧流动的一种特殊的物理现象，即导体内电流密度因受邻近导体中电流的影响而分布不均匀的现象。
集肤效应和邻近效应使电流分布不均匀，导体有效截面积减小，有效电阻增大，电阻损耗增加。
（3）磁滞、涡流损耗。
铁磁材料在交变磁场中反复磁化由磁滞现象引起的能量损耗叫作磁滞损耗。磁滞指铁磁材料的磁性状态变化时，磁化强度滞后于磁场强度，它的磁通密度B与磁场强度H之间呈现磁滞回线关系。经一次循环，每单位体积铁芯中的磁滞损耗等于磁滞回线的面积。这部分能量转化为热能，使设备升温。导体在非均匀磁场中移动或处在随时间变化的磁场中时，导体内的感生电流导致的能量损耗叫作涡流损耗。涡流损耗的大小与磁场的变化方式、导体的运动、导体的几何形状、导体的磁导率和电导率等因素有关。磁滞与涡流损耗可以导致铁制零件发热。
（4）电介质损耗。
在低压电器中，电压U较低，电介质中的电场强度很小，可以忽略不计。在高压电器中，电压U较高，电介质中的电场强度很大，必须考虑电介质损耗及其产生的热量，以免引起过热从而使绝缘材料老化加快，甚至引起热击穿而损坏器件。
3.载流导体的电动力与电动稳定性
（1）电动力。
载流导体处在磁场中会受到力的作用，载流导体相互间也会受到力的作用，这种力称为电动力。一方面，电动力有可利用的一面，比如电动机就是利用它将电能转换为机械能；另一方面，对大容量输配电设备来说，短路电流所产生的巨大电动力对电气设备具有很大的危害性。在电器中，载流导体间、线圈匝间、动静触头间、电弧与铁磁体间等都有电动力的作用。在正常电流下电动力不至于使电器损坏，但动、静触头间的电动斥力过大会使接触压力减小，接触电阻增大造成触头的熔化或熔焊，影响触头的正常工作。有时在强大短路电流所形成的电动力下，载流部分可能因为电动力而振动，或者因电动力所产生的应力大于其材料允许应力而变形，甚至使绝缘部件（如绝缘子）或载流部件损坏；电气设备的电磁绕组，受到巨大的电动力作用，可能使绕组变形或损坏；巨大的电动力可能使开关电器的触头瞬间解除接触压力，甚至发生斥开现象，导致设备故障。利用电动力的作用改善和提高电器性能的例子也是很多的。例如，接触器的磁吹灭弧、快速自动开关的速断机构等。
（2）电器的电动稳定性。
电器的热稳定性是指在一定时间内能承受短路电流（或所规定的等值电流）的热作用而不发生热损坏的能力。例如，不会因发热而产生不允许的机械变形、触头处不会熔焊等。
电器的电动稳定性就是指当大电流通过电器时，在其产生的电动力作用下，电器有关部件不产生损坏或永久变形的性能。也可以说电器有关部分在电动力作用下不产生损坏或永久变形所能通过的最大电流的能力。例如，不会因发热而产生不允许的机械变形、触头处不会熔焊等。它以可能的最大冲击电流的峰值表示，也有的以它与额定电流的比值表示。
（3）触头电动力。
触头闭合通过电流时，在触头间有电动力存在。这是因为触头表面不管加工怎样平整，从微观上看仍然是凹凸不平的。由于接触面积远小于触头表面积，电流线在接触点处产生收缩，由此而引起触头间的电动斥力。当电流很大时，该电动力可将触头拉开或使触头间接触压力减小，接触电阻增加，从而使触头表面温度升高。
触头处在闭合位置能承受短路电流所产生的电动力而不至于损坏的能力，称为触头的电动稳定性。
（三）电器的散热与冷却
电器工作时，只要电器的温度高于周围介质及接触零部件的温度，就会向周围介质散热。所以，发热和散热同时存在于电器的工作过程中，在使用电器时，既要减少损耗和发热，又要加强散热，使电器产生的热量与散失的热量相平衡，即达到热稳定状态，以保持电器的温度不变。
电器的散热方式有热传导、对流和热辐射。
1.热传导
热传导是介质内无宏观运动时的传热现象，热量从系统的一部分传到另一部分或由一个系统传到另一系统的现象。热传导现象的实质是通过具有一定内部能量的物质基本质点间的直接相互作用，使能量从一个质点传递到另一个相邻质点，是热从物体温度较高的一部分沿着物体传到温度较低的部分的传热方式。热传导是固体中热传递的主要方式。在气体或液体中，热传导过程往往和对流同时发生。各种物质的热传导性能不同，一般金属都是热的良导体，玻璃、木材、棉毛制品、羽毛、毛皮以及液体和气体都是热的不良导体，石棉的热传导性能极差，常作为绝热材料。
2.对流
靠气体或液体的流动来传热的方式叫作对流。热量的转移和流体本身的转移结合在一起，是液体或气体中较热部分和较冷部分之间通过循环流动使温度趋于均匀的过程。对流是液体和气体中热传递的主要方式，气体的对流现象比液体明显。对流可分自然对流和强迫对流两种。自然对流往往自然发生，是由于温度不均匀而引起的。强迫对流是由于外界的影响对流体搅拌而形成的。加大液体或气体的流动速度，能加快对流传热。轨道交通车辆上的电机、电气设备因受到工作条件和安装空间的限制，较多采用强迫对流，以加强散热，缩小体积。
3.热辐射
高温物体的热量以电磁波的形式直接向外发射热的现象叫作热辐射。热辐射是物体因自身的温度而具有向外发射能量的本领、热辐射虽然也是热传递的一种方式，但它和热传导、对流不同。它能不依靠媒质把热量直接从一个系统传给另一系统。热辐射以电磁辐射的形式发出能量，温度越高，辐射越强。辐射的波长分布情况也随温度而变，如温度较低时，主要以不可见的红外光进行辐射，在500℃以至更高的温度时，则顺次发射可见光以至紫外辐射。热辐射是远距离传热的主要方式，如太阳的热量就是以热辐射的形式，经过宇宙空间再传给地球的。
（四）触头系统
这是一个用接触器控制CA6140机床主轴电机启动、停止的电路（图2-1），该电路具有接地、过热和短路保护，可实现远距离控制，其运行和停止由按钮开关来执行操作。举例如下：近一段时间车间在加工阶梯轴，启动、停止频繁操作，且任务多，抢工时。忙碌工作中的小王偶然间嗅到一股塑料的焦煳味，小王赶紧按下了停止按钮，但小王却发现电机并没有停转，于是小王赶紧拉下闸刀开关，切断电源。依经验，小王断定是电气部分出现了问题。小王打开床头电气控制箱，发现接触器的塑壳温度很高，焦煳味是这里发出来的，结合按下停止按钮不断电，小王认为是接触器的触头不能断开，发生熔焊而导致不能断电，于是小王更换了接触器，问题迎刃而解，小王又高兴地投入工作中。
图2-1 接触器控制CA6140机床主轴电机启动、停止电路
触头是电器的执行元件，又是电器中最薄弱的环节，其工作的优劣直接影响到电器的使用性能，在一定程度上，触头的使用寿命决定电器的使用寿命，这里我们共同学习触头的相关知识。
1.电接触
电接触定义：两个或几个导体通过机械方式接触，从而可以使电流通过的状态，称为电接触。
2.电接触的分类
（1）固定接触：两接触元件在工作时间内固定接触在一起，不做相对运动，也不相互分离。指两个或几个导体的连接处用螺钉、螺纹或铆钉等紧固件压紧的机械方法固定的电接触。
（2）滚动和滑动接触两接触元件能做相对滚动和滑动，但不相互分离。例如，断路器的滚轮触头、受电弓与接触网线的接触等。
（3）可分接触：两接触元件可随时分离或闭合。这种可分接触元件通常称为触头或触点。一切利用触头实现电路的接通和断开的电器中都可见到这种接触类型。可分触头是高压开关设备中实现电路断开和闭合的主要执行元件，又是电器中最薄弱的环节，其工作的优劣直接影响到电器的使用性能。
3.触头的定义
触头是有触点电器的执行元件，直接接通和断开电路的零件。触头主要由动静两部分成对出现，固定不动的叫静触点，可以活动的叫动触点。电路是依靠动触点的动作来实现接通和断开的。
4.触头的工作特点
电触头是广泛应用于继电器、接触器、负荷开关、中低压断路器以及家用电器、汽车电器（喇叭、车灯、点火）等开关电器的主导电接触材料。开关电器广泛运用于分断闭合电路中的电压或电流，其可靠性直接影响整个电力系统的可靠运行，而电触头又是开关电器的重要部件之一。触头产品是这些产品的“心脏”部件。
轨道交通车辆在运行过程中，特别是机车在行驶弯道、启动、加速、制动时会引起较大的振动和冲击，从而引起电器的振动和冲击，可能引起紧固件松动或触头误动作，造成电器误动作。触头的工作频率比较高，长时间工作后，触头本身温度上升，触头表面氧化加剧，接触电阻增加，电阻损耗增加，又使触头表面温升增加，如此形成恶性循环，最终使触头由于温度过高发生熔焊，动、静触点融化成一体而失去分断电路的作用，严重的可造成事故。由于空气中的粉尘、水分及油污等污染物会使触头表面发生锈蚀，从而使接触电阻增加，损耗增加，进而导致触头极易损坏。另外，触头在分、断电路时会伴随着电弧燃烧现象的发生，电弧燃烧的高温，会烧伤触头表面，出现凸凹不平的毛刺，最后又易产生熔焊现象，使触头不能分断失去触头的作用。因而，触头是电器中最薄弱的环节，其工作的优劣直接影响到电器的性能。
5.触头的分类
（1）按工作情况分为有载开闭和无载开闭两种。有载开闭触头在开、闭过程中，允许触头有电流流过，无载开闭触头在开、闭过程中，不允许触头有电流流过，只有在触头闭合后才允许触头中通过电流，如隔离开关等。
（2）按开断触头数目可分为单断点式和双断点式触头。
（3）按触头正常工作位置可分为常开触头和常闭触头。
（4）按结构形式可分为指形触头和桥式触头。
（5）按触头的接触形式可分为点接触、线接触和面接触。
（6）按在电路中的作用，可分为主触头和辅助触头。主触头用于接通或断开主电路；辅助触头用于接通或断开辅助电路和控制电路。由于辅助触头常起到电气联锁的作用，所以又称为联锁触头。联锁触头又分为常开联锁触头和常闭联锁触头。在线圈不带电的情况下，触头是断开的称为常开触头，反之，在线圈不带电的情况下，触头是闭合的称为常闭触头。
6.触头的接触形式
触头接触形式分为点接触、线接触和面接触三种，如图2-2所示。触头对电路电流的接通，是通过其接触面来实现的，所以接触面形式对触头的工作性能起着重要的作用。在设计电器时对触头接触面形式应有合理的选择。
图2-2 触头的接触形式
（a）点接触；（b）线接触；（c）面接触
（1）点接触。
点接触是指在一个很小的区域内若干个点接触的触头。如点与点（球面与球面）的接触或点与面（球面对平面）的接触。用于20A以下的场合，如继电器的触头、接触器和自动开关的联锁触头等。由于接触面积较小，保证其可靠工作所需的接触压力也相对较小。一般用于控制电路。
（2）线接触。
线接触是指两个导体沿着线或较狭窄的面积接触的触头。如圆柱面对圆柱面或圆柱面对平面的接触。其接触压力适中，适合于电流在几十安培到几百安培的中等容量电器，如接触器、自动开关及高压开关电器的触头。
（3）面接触。
面接触是指两个导体平面对平面的接触，接触面积和接触压力均较大，多用于大电流的电器，如大容量的接触器和断路器的主触头，适合于电流较大的场合。
7.触头的主要参数
触头的参数主要有开距s、超程r、研距、触头初压力F0和终压力Fz等。
（1）触头的开距s。
触头的开距是指触头完全断开的动、静触点之间的最短距离，如图2-3（a）所示。开距是触头的一个主要参数。在保证可靠灭弧的前提下，开距应尽量小，以减小工作间隙，电磁铁尺寸和行程长度也应尽量小，以利于减小触头的振动，而且要使触头间具有一定的绝缘能力，经得起过电压的冲击。它不仅影响触头与灭弧系统的尺寸，而且影响到电磁传动机构的尺寸。
（2）触头的超程r。
触头的超程是指触头对完全闭合后，如果将静触点移出，动触点在触头弹簧的作用下继续前移的距离r，如图2-3（b）所示。触头超程是用来保证触头有一定的压力并在触头允许磨损的范围内仍能可靠地接触。一般触头在磨损1／3到1／2厚度之前应能工作，因此在设计制造上必须要有一定的超程。
图2-3 触头的参数
（a）完全断开状态；（b）刚接触时；（c）闭合状态
（3）触头的研距。
动触点和静触点接触过程中，触头接触表面既有滚动，又有滑动，这种滚动和滑动称为触头的研磨过程。由研磨所产生的距离称为研距。为了保证触头工作时有良好的电接触，一般线接触触头开闭过程的起止点不重合，且有一定距离。研距是触头开闭过程中动静触头间滚动量与滑动量之和。如图2-4所示，为了保证触头工作时有良好的电接触，一般线接触触头动、静触点开始接触时，其接触线在a点处，在触头闭合过程中，接触线逐渐移动，最后停在b点处接触，以导通工作电流。由于在动触头上ab和静触头上a′b′长度不一样，因此，在动触点和静触点接触过程中，不仅有相对滚动，而且有相对滑动存在，这种滚动和滑动的整个接触过程称为触头的研磨过程。由研磨所产生的距离称为研距。研距是触头开闭过程中动静触头间滚动量与滑动量之和。
图2-4 触头的研磨过程及研距
研磨过程中，触头表面有滑动，可以擦除触头表面的氧化层及脏物，减小接触电阻，使触头有良好的电接触。触头表面有滚动可以使触头在闭合时的撞击处与最后闭合位置的工作点之间，以及开断电路时产生电弧处与闭合位置的工作点分开，保证正常工作的接触线不受机械撞击与电弧的破坏作用，保证触头接触良好。
（4）触头的压力。
触头压力是指两触点闭合后，其接触处所具有的互压力。触头压力主要是由触头弹簧产生的，有初压力和终压力之分。
初压力：触头弹簧有一预压缩，使得动触头刚与静触头接触时就有一互压力F0，称为触头初压力，它是由调节触头弹簧预压缩量来保证的。初压力可以防止触头刚开始接触时的碰撞振动及电动斥力使两触头弹开，从而降低触头闭合过程的振动和弹跳。
终压力：动、静触头闭合终了时，触头间的接触压力称为终压力Fz。它是由触头弹簧最终压缩量来决定的。它使触头闭合时的实际接触面积增加，使闭合状态时的接触电阻小而稳定。
触头的开距、超程、初压力和终压力都是必须进行检测的重要参数。在电器的使用和维修中常用这些参数来反映触头的工作情况及检修电器的工作状态。
8.触头的工作情况
触头有四种工作情况：
（1）触头处于闭合状态。
触头处于闭合状态时的主要任务是保证能通过规定的电流，且触头温升不超过允许值，主要问题是触头的发热及热和电动稳定性，触头的发热是由接触电阻引起的，故应设法减小接触电阻。
（2）触头的闭合过程。
从动、静触头刚开始接触到触头完全闭合，由于会发生振动，使它不是一次接触就能闭合，而是有一个过程，这个过程称为触头闭合过程。由于触头在闭合过程中会因碰撞而产生机械振动，因此这个过程的主要问题是减小机械振动，从而减小触头的磨损，避免触头熔焊。
（3）触头处于断开状态。
触头处于断开状态时，必须有足够的开距，以保证可靠地熄灭电弧和开断电路。
（4）触头的开断过程。
触头开断过程是触头最繁重的工作过程。由于在触头开断电路时，一般会在触头间产生电弧，因此这个过程的主要问题是熄灭电弧，减小由电弧而产生的触头电磨损。
9.触头的接触电阻
两个实行电连接的导体，其导电能力显然比相同尺寸的完整导体要差。
图2-5（a）所示为一段完整的导体，通以电流I，用电压表测量出其AB长度上的电压降为U，则AB段导体的电阻为
如果将此导体截断，仍通以原来的电流，测得AB两点之间的电压降为UC（图2-5（b）），UC比U大得多，AB点之间的电阻为
RC除含有该段导体材料的电阻R外，还有附加电阻Rj，即
附加电阻为收缩电阻与表面膜电阻之和，是由接触层之间直接产生的电阻，故称附加电阻Rj为接触电阻。动、静触点接触时同样也存在接触电阻。
（1）收缩电阻。
接触处的表面无论经过多么细致的加工处理，从微观角度分析，其表面总是凸凹不平的，它们不是整个面积接触，而是只有若干小的突起部分相接触，如图2-6所示，实际接触面积比视在接触面积小得多。当电流通过实际接触面积时，电流只从接触点上通过，在这些接触点附近，迫使电流线发生收缩。有效接触面积（即实际接触面积）小于视在接触面积，由此产生的附加电阻称为收缩电阻。
图2-5 触头接触电阻
图2-6 触头接触处放大图
（2）表面膜电阻。
由于触头表面暴露在空气中，加之电弧的高温等多种原因，在触头的接触表面上覆盖着一层导电性很差的薄膜，如金属的氧化物、硫化物等，其导电性很差，也可能是落在接触表面上的灰尘、污物或夹在接触面间的油膜、水膜等，由此而形成的附加电阻，称为表面膜电阻。
10.影响接触电阻的因素
一般希望得到低值而稳定的接触电阻，以保证电接触的可靠工作。影响接触电阻的因素有接触压力、触头材料、触头温度、触头表面情况、接触表面的电化学腐蚀等。
（1）接触压力的影响。
接触压力对接触电阻的影响最大，当接触压力很小时，接触压力微小的变化都会使接触电阻值产生很大的波动。加大压力可使接触电阻减小。这是因为在压力作用下，两表面接触处产生弹性变形，压力增大，变形增加，有效接触面积也增加，收缩电阻减小。而当压力达到一定值后，收缩电阻几乎不变，这是因为材料的弹性变形是有一定限度的，因而接触面积的增加也是有限的，故接触电阻不可能完全消除。
（2）触头材料的影响。
触头材料对接触电阻的影响主要取决于触头材料的电阻系数、材料的抗压强度、材料的化学性能等。触头材料的电阻系数越低，接触电阻就越小。
材料的抗压强度越小，在同样接触压力下得到的实际接触面积就越大，接触电阻就越小。采用抗压强度小的材料可以使接触电阻降低，但由于触头本身需要一定的机械强度，因此常在接触连接处，用较软的金属覆盖在硬金属上，以获得较好的性能，如铜触头搪锡等。
材料越易氧化，就越容易在表面形成氧化膜，如不设法清除，接触电阻就会显著增大。例如，铝在常温下几秒钟内就会氧化，其氧化膜导电性很差，故铝一般只用作固定连接，而且常采用表面覆盖银、锡等方法以减小接触电阻。小容量触头常采用点接触的双断点桥式触头，其结构难以实现研磨过程来消除氧化膜，所以触头材料采用银或银基合金。因为银被氧化后的导电能力和纯银相差不多，所以银或镀银的触头工作很稳定。
（3）触头温度的影响。
触头的接触电阻与它本身的金属电阻一样，也受温度的影响，随着触头温度的升高，接触电阻一般会有所增加。一方面，接触点温度升高后，金属的电阻率会有所增加，另一方面是由于接触处温度升高后，材料硬度有所降低，使有效接触面积增大。前者使收缩电阻增大，后者使收缩电阻减小，两者作用互补，接触电阻几乎不变。但是，当触头电流长期超过规定值时，温度升高，引起接触面氧化，接触电阻急剧上升，发热加剧，形成恶性循环。为保证接触电阻稳定，必须限制电接触的长期允许工作温度。
（4）触头表面情况的影响。
（a）触头表面加工方法的影响。
表面粗糙度对接触电阻有一定的影响。接触表面可以粗加工，也可以精加工。至于采用哪种方式加工更好，要根据负荷大小、接触形式和用途而定。
对于大、中负荷的电器，触头电流较大，触头表面，不要求精加工，最好用锉刀加工，重要的是平整。两个平整而较粗糙的平面接触在一起，接触点数目较多且稳定，并能有效地清除氧化膜。相反，精加工的表面，当装配稍有歪斜时，接触点的数目就显著减少。
对于某些小功率电器，触头电流小到毫安以下，为了保证Rj小而稳定，要求触头表面粗糙度越低越好。粗糙度低的触头不易受污染，也不易生成膜电阻。为了达到这样低的粗糙度，往往采用机械、电或化学抛光等工艺。
（b）触头表面氧化膜的影响。
暴露在空气中的接触面（除铂和金外）都将产生氧化作用，为了减小接触面的氧化，可以将触头表面搪锡或镀银，以获得较稳定的接触电阻。
（c）触头表面清洁状况的影响。
当触头的压力较小时，触头表面的清洁度对接触电阻影响较大，随着压力的增加，这种影响逐渐减小。
（5）触头表面的电化学腐蚀。
单纯由化学作用引起的腐蚀称为化学腐蚀，化学腐蚀会在金属表面上生成相应的氧化物、硫化物等。为减少接触面的氧化，可以对触头表面进行搪锡或镀银等处理，以获得较稳定的接触电阻。
采用不同的金属作触头对时，由于两金属接触处有电位差，当湿度大时，在触头对的接触处会发生电解作用，引起触头的电化学腐蚀，使接触电阻增加。
常用金属材料的电化顺序是金（Au）、铂（Pt）、银（Ag）、铜（Cu）、氢（H）、锡（Sn）、镍（Ni）、镉（Cd）、铁（Fe）、铬（Cr）、锌（Zn）、铝（Al）。规定氢的电化电位为0，在它后面的金属具有不同的负电位（如Al的电化电位为-1.34V），在它前面的金属具有不同的正电位（如Ag的电化电位为＋0.8V）。选取触头对时，应取电化顺序中位置靠近的金属，以减小化学电势。例如，不宜采用铝-铜、钢-铜做触头对。
11.减小接触电阻的方法
当电流通过闭合触头时，如果接触电阻过大，就会产生过大的附加损耗，使触头本身及周围的物体温度升高，加速绝缘材料的老化，使之寿命减少。触头的过度发热还会使触头表面加速氧化，而多数金属（除银外）氧化后产生高阻的氧化膜，使电阻增加。这样造成恶性循环。
为了避免触头超过允许温升，一方面要尽量减小接触电阻；另一方面应具有足够的触头散热面积。
根据接触电阻的形成原因，减小接触电阻一般可采用下列方法：
（1）增加接触点数目。选择适当的接触形式，用适当的方法加工接触表面，并在接触处加一定的压力，均可使接触点数目增加。
（2）选择合适的材料。采用本身电阻系数小，且不易氧化或氧化膜电阻较小的材料作为接触导体，或作为接触面的覆盖层。
（3）触头在开闭过程中应具有研磨过程，以擦去氧化膜。
（4）经常对触头清扫，使触头表面无油污、尘埃，保持干燥。
12.触头振动的原因
触头从开始接触到完全闭合，是一个完整的过程。触头在闭合过程中，触头间的碰撞、触头间的电动斥力和衔铁与铁芯的碰撞都可能引起触头的机械振动。
当触头闭合时，电器传动机构的力直接作用在动触头支架上，使得质量为m的动触头以速度v1向静触头运动，在动、静触头相撞时动触头具有一定的动能，如图2-7（a）所示。触头发生碰撞后，触头表面将产生弹性变形，此时，一部分能量消耗在碰撞过程中（因为触头不是绝对弹性体），而大部分能量转变为触头表面材料的变形势能。当触头表面达到最大变形xSD时（图2-7（b）），变形势能达到最大，而动触头的动能降为零，于是动触头停止运动。紧接着触头的弹性变形开始恢复，将势能释放，由于静触头固定不动，动触头应会受到反力作用，以初速度v2弹回（图2-7（b）），甚至离开静触头，并把触头弹簧压缩，将动能储存在弹簧中，在触头弹簧的作用下，动触头反跳的速度逐渐减小。与此同时，传动机构继续推动触头支架将弹簧进一步压缩。当动触头反跳的速度降为零时，反跳距离达到最大值xm（图2-7（c））。随后，动触头在弹簧张力的作用下又开始向静触头运动，触头间发生第二次碰撞和反跳。
由于触头第一次碰撞和反跳都要消耗掉一部分能量，同时，在碰撞和反跳的过程中，传动机构使触头弹簧进一步压缩，因而动触头的振动时间和振幅一次比一次要小，直至振动停止，触头完全闭合（图2-7（d））。
对于电磁传动的电器来讲，在触头闭合过程中，衔铁以一定的速度向静铁芯运动，当衔铁吸合时，同样会因碰撞而产生振动，以致触头又发生第二次振动。
在触头振动过程中（图2-7），如果xm≤xSD，则碰撞后触点不会分离，这样的振动不会产生电弧，对触头无害，因而称之为无害振动。反之，若xm＞xSD，则碰撞后动静触头分离，此时触头分断的电流比较大，电磨损也较大，在触头间隙中会出现金属桥，造成触头磨损或熔焊，甚至产生电弧，严重影响触头寿命，故称之为有害振动。两个触点在闭合时发生碰撞产生振动是不可避免的，所谓消除触头闭合过程中的振动，是指消除触头的有害振动。
图2-7 触头振动过程示意图
（a）触头碰撞开始瞬间；（b）触头碰撞后瞬间；（c）触头振动变化过程；（d）振幅变化
xSD—塑性和弹性变形量；xD—弹性变形量；xm—最大振幅
另外，在触头带电接通时，由于实际接触的只有几个点，在接触点处便产生电流线的密集或弯曲，如图2-8所示。畸变的电流线和通过反向电流的平行导体一样，相互作用产生斥力，使触头趋于分离，该电动力称为收缩电动力。收缩电动力也能引起触头间的振动，特别是在闭合大的工作电流或短路电流时，电动斥力的作用更为显著。
图2-8 接触点电流线密集情况示意图
13.减小振动的方法
为了提高触头的使用寿命，必须减小触头的振动。减小触头振动有如下几种方法：
（1）使触头具有一定的初压力。增大初压力可减小触头反跳时的振幅和振动时间。但初压力增大是有限的，如果初压力超过了传动机构的作用力（如电磁机构的吸力），则不仅触头反跳的距离增加，而且触头也不能可靠地闭合，反而造成触头磨损增加。
（2）降低动触头的闭合速度，以减小碰撞动能。由实验可知，减小触头闭合瞬间的速度可减小触头振动的振幅。这要求吸力特性和反力特性良好配合。需要指出的是，当触头回路电压高于300V时，若闭合速度过小，则在动、静触头靠近时，触头间隙会击穿形成电弧，反而会引起电磨损的增加。
（3）减小动触头的质量，以减小碰撞动能，从而减小触头的振幅。但是，在减小触头质量时，必须考虑触头的机械强度、散热面积等问题。
（4）对于电磁式电器，是要减小衔铁和静铁芯碰撞时引起的磁系统的振动，以减小触头的二次振动，其方法是吸力特性与反力特性有良好的配合及铁芯具有缓冲装置。
14.触头的磨损
（1）触头磨损的原因。
触头在多次接通和断开有载电路后，它的接触表面将逐渐产生磨耗和损坏，这种现象称为触头的磨损。触头磨损达到1／3到1／2的程度时，其工作性能便不能保证，此时，触头的寿命即告终结。继电器和接触器等电器的电气寿命主要取决于触头的寿命。
触头磨损包括机械磨损、化学磨损和电磨损。机械磨损是在触头闭合和打开时研磨和机械碰撞所造成的，它使得触头接触面产生压皱、裂痕或塑性变形和磨损。化学磨损是由于周围介质中的腐蚀性气体或蒸气对触头材料浸蚀所致，机械磨损和化学磨损一般很小，约占全部磨损的10%左右。
电磨损主要发生在触头的闭合和开断过程中，尤其以触头开断过程中产生的电磨损为主。在触头闭合电流时产生的电磨损，主要是由于触头碰撞引起的振动所产生的，在触头开断电流时所产生的电磨损，主要是由高温电弧造成的。触头的磨损主要取决于电磨损，约占磨损的90%。
（2）触头电磨损的形式。
触头在分断与闭合电路过程中，在触头间隙中产生金属液桥、电弧和火花放电等各种现象，引起触头材料的金属转移、喷溅和汽化，使触头材料损耗和变形，这种现象称为触头的电磨损。电磨损直接影响电器的使用寿命。
触头的电磨损形式主要有两种：
（a）即液桥的形成和触头表面的金属转移；
（b）电弧的烧损。
（3）减小触头电磨损的方法。
减小触头的电磨损，提高触头的寿命，一般可从减小触头开断过程中的磨损和减小触头闭合过程中的磨损两方面着手。
减小触头开断过程中的磨损，即减小触头在开断时的电弧，其方法如下：
（a）合理选择灭弧系统的参数，如磁吹的磁感应强度B。B值过小，吹弧电动力小，电弧在触头上停留时间较长，触头的电磨损增加；B值过大，吹弧电动力过大，会把触头间熔化的金属液桥吹走，电磨损也增加，因此，有一个最佳的B值，在该值下电磨损最小。
（b）对于交流电器（如交流接触器）宜采用去离子栅灭弧系统，利用交流电流通过自然零点时不再重燃而熄弧，减小触头的电磨损。
（c）采用熄灭火花的电路，以减小触头的电磨损。这种方法就是在弱电流触头电路中，在触头上并联电阻、电容，以熄灭触头上的火花。这种火花熄灭电路对开断小功率直流电路很有效。
（d）正确选用触头材料。例如，钨、钼的熔点和汽化点高，因此，钨、钼及其合金具有良好的抗磨损特性，银、铜的熔点与汽化点低，其抗磨损性较差。
触头闭合时的磨损主要是由触头在闭合过程中的振动所引起的，因此，为了减小触头的电磨损，必须减小触头的机械振动。
15.触头的性能要求
各种电器的任务和工作条件不同，对电接触材料的性能要求也不尽相同。一般对触头材料的性能要求有以下几点：
（1）尽可能高的导电和导热性能。要求材料本身的电阻系数小，导热系数大。电阻率小，触头处于闭合状态时的接触电阻小，相应的热损耗就小。导热系数大，可以加强触头和导体的散热，使电接触的表面温度降低，氧化物不易形成，从而使接触电阻小且在长期工作中能保持稳定，分断时触头间不易形成金属液桥。散热条件良好可以降低生弧条件，使金属不易熔化和汽化，降低触头的电磨损。
（2）良好的机械性能：材料要有适当的强度和硬度，摩擦系数要小，耐磨性好。好的机械强度可使电接触坚固耐用，在机械力和电动力的作用下不至于变形，材料的弹性和塑性也应适中，弹性大的触头闭合过程中振动较为严重，同时难于加工。塑性大的材料易引起严重变形和机械磨损。摩擦系数小，可减小机械磨损。
（3）良好的化学性能。电接触材料要具有很好的化学稳定性，在常温下不易氧化，或者氧化物的电阻尽量小，耐腐蚀。
此外，材料还要尽可能可加工性能好，价格便宜，经济适用。但实际上是不可能同时满足以上各项要求的，而只能根据触头的工作条件及负荷的大小，满足其主要的性能要求。
16.触头的材料
触头材料分为三大类，即纯金属、合金和金属陶冶材料。
（1）纯金属材料。
（a）银：银是高质量的触头材料，具有高的导电和导热性能。银在常温下不易氧化，其氧化膜能导电，在高温下易分解还原成金属银。银触头能自动清除氧化物，接触电阻低且稳定，允许温度较高。银的缺点是熔点低，硬度小，不耐磨。由于银的价格高，一般仅用于继电器和小功率接触器的触头或用于接触零件的电镀覆盖层。
（b）铜：铜是广泛使用的触头材料，导电和导热性能仅次于银。铜的硬度较大，熔点较高，易加工，价格低。铜的缺点是易氧化，其氧化膜的导电性很差，当长时间处于较高的环境温度下，氧化膜不断加厚，使接触电阻成倍增长，甚至会使电流通路中断。因此，铜不适用于作非频繁操作电器的触头材料，对于频繁操作的接触器，电流大于150A时，氧化膜在电弧高温作用下分解，可采用铜触头，并做成单断点指式触头，在触头分、合过程中有研磨过程，以清除氧化铜薄膜。
（c）铂：铂是贵金属，化学性能稳定，接触电阻也相当稳定。铂的缺点是导电和导热性能差，硬度低，价格昂贵，资源缺乏，因此，不采用纯铂作为触头材料，一般用铂的合金作小功率继电器的触头。
（d）钨：钨的熔点高，硬度大，耐电弧，钨触头在工作过程中几乎不会产生熔焊，但是，钨的导电性能较差，接触电阻大，易氧化，特别是与塑料等有机化合物蒸气作用（如在封闭塑料外壳内的钨触头），生成透明的绝缘表面膜，而且此膜不易清除，加工困难，因此，除少数特殊场合（如火花放电间隙的电极）外，一般不采用纯钨做触头材料，而与其他高导电材料制成陶冶材料。
（2）合金材料。
由于纯金属本身性能的差异，将它们以不同的成分相配合，构成合金或金属陶冶材料，使触头的工作性能得以改进。
（a）银铜合金：适当提高银铜合金的含铜量，可提高其硬度和耐磨性能。但是，含铜量不宜过高，否则，会和铜一样易于氧化，接触电阻不稳定。银铜合金熔点低，一般不用作触头材料，主要用作焊接触头的银焊料。
（b）银钨和钯铜：银钨和钯铜都有较高的硬度，比较耐磨，抗熔焊。有时用于小功率电器及精密仪器仪表中。
（c）钯铱合金：钯铱合金使用较广泛，铱有效地提高了合金的硬度、强度及抗腐蚀能力。
（3）金属陶冶材料。
金属陶冶材料是由两种或两种以上的彼此不相熔合的金属组成的机械混合物，其中一种金属有很高的导电性（如银、铜等），作为材料中的填料，称为导电相，另一种金属有很高的熔点和硬度（如钨、镍、钼、氧化镉等），在电弧的高温作用下不易变形和熔化，称为耐熔相，这类金属在触头材料中起着骨架的作用。这样，就保持了两种材料的优点，克服了各自的缺点，是比较理想的触头材料。
常用的金属陶冶材料有以下几种：
（a）银-氧化镉：银的导电性能和导热性能好，氧化镉在银中不仅起到增加强度和硬度的作用，还能在高温电弧的作用下，分解为氧气和镉蒸气，能驱使电弧支点迅速移动，有利于吹灭电弧，故称银-氧化镉触头具有一定的自灭弧能力。此外，它的可塑性好，易于加工。因此，它是一种较为理想的触头材料。
（b）银-氧化铜：与银-氧化镉相比，耐磨损，抗熔焊性能好，无毒，在高温下触头硬度更大，使用寿命长，价格便宜。
（c）银-钨：具有银的良好的导电性，同时，又具有钨的高熔点、高硬度、耐电弧腐蚀、抗熔焊、金属转移小等特性，常用作电器的弧触头材料。银-钨的缺点是接触电阻不稳定，随着开闭次数的增加，接触电阻增大，其原因在于分断过程中，触头表面产生三氧化钨、钨酸银等电阻率高的薄膜。
（d）银-石墨：导电性好，接触电阻低，抗熔焊，耐弧能力强，在短路电流作用下也不会熔焊，其缺点是电磨损大。
上述陶冶材料通常是利用粉末冶金法、化学沉淀法及内氧化法等制成。
（五）电弧的形成与熄灭
注意观察受电弓与供电网线接触时的现象，会有强烈的电火花产生，这就是电弧现象。电弧是由于电场过强，气体发生电崩溃而持续形成等离子体，使得电流通过通常状态下的绝缘介质（如空气）的现象。观看图2-9，请说明所示电弧现象是否都是有害的。电弧有可利用的一方面，1808年汉弗里·戴维利用此现象发明第一盏“电灯”。电弧产生的高热可以熔化或是气化所有的金属，工业上利用电弧来焊接、熔化或是切割金属，如等离子切割机、放电加工机、炼钢厂的电弧炉。电影院用的电影放映机也是利用电弧原理的设备。非控制下产生的电弧会对输电系统、配电系统以及电子设备造成损害，如受电弓拉弧，第三轨与集电靴之间的电弧等会对接触轨和供电网造成危害，必须尽量避免电弧的产生。本项目我们一起来研究电弧的形成与熄灭及一些常用的灭弧装置。
图2-9 电弧现象
（a）受电弓拉弧现象；（b）第三轨拉弧现象；（c）利用电弧原理的电焊；（d）利用电弧原理的电弧灯
1.电弧
电弧是在气体中的一股强烈电子流，属于气体放电的一种现象，是电流通过某些绝缘介质（如空气）所产生的瞬间火花。
2.电弧的产生
当用开关电器断开电流时，如果电路电压不低于10～20V，电流不小于80～100mA，电器的触头间便会产生电弧。当触头开断时，触头间隙中有电弧燃烧，电路仍然处于导通状态。说明触头间隙的气体由绝缘状态变成了导电状态。气体呈导电状态的原因是原来的中性气体分解为电子和离子，即气体被游离，这个过程称为气体的游离过程。游离出来的电子和离子在电场的作用下朝对应的电极运动，便形成电流，从而造成触头虽已断开，但电路中仍有电流通过的现象。电弧熄灭后，触头间隙的气体恢复了介质强度，又呈现绝缘状态。电弧的产生有以下四个过程。
（1）强电场发射。
电弧的形成是触头间中性质子（分子和原子）被游离的过程。开关触头分离时，触头间距离很小，电场强度E很高（E＝U／d）。当电场强度超过3×106V／m时，阴极表面的电子就会被电场力拉出而形成触头空间的自由电子。这种游离方式称为强电场发射。在高电场发射中，并不需要热功的参与，所以高电场发射又称冷发射。触头表面温度低和阴极表面的电场强度小时，电子发射的数量会减少。
（2）碰撞游离。
从阴极表面发射出来的自由电子和触头间原有的少数电子，在电场力的作用下向阳极做加速运动，途中不断地和中性质点相碰撞。只要电子的运动速度v足够高，电子的动能足够大，就可能从中性质子中打出电子，形成自由电子和正离子，这种现象称为碰撞游离。新形成的自由电子也向阳极做加速运动，同样地会与中性质点碰撞而发生游离。即处于激发状态的气体分子经过多次碰撞，发生累计游离，累计碰撞游离连续进行的结果是触头间充满了电子和正离子，具有很大的电导；在外加电压下，介质被击穿而产生电弧，电路再次被导通。
（3）热游离。
触头间电弧燃烧的间隙称为弧隙。电弧形成后，弧隙间的高温使阴极表面的电子获得足够的能量而向外发射，形成热电场发射。同时在高温的作用下（电弧中心部分维持的温度可达10000℃以上），气体中性质点的不规则热运动速度增加。当具有足够动能的中性质点相互碰撞时，将被游离而形成电子和正离子，这种现象称为热游离。
中性粒子热游离的程度与温度的高低、气压的大小、物质的游离能大小有关。在高温状况下，金属材料容易发生气化，金属蒸气的游离能比气体的小得多。当气体中混有金属蒸气时，游离更加迅速。
随着触头分开的距离增大，触头间的电场强度E逐渐减小，这时电弧的燃烧主要是依靠热游离维持的。
（4）热发射。
触头开断过程中，接触面积越来越小，接触电阻越来越大，触头表面的温度会急剧升高，金属内的自由电子由于热运动而克服正离子的吸引力从阴极表面发射出来，这种主要由热作用所引起的发射称为热发射。温度越低，电子的逸出功越大，热发射电流密度越小；反之，热发射电流密度越大。电子克服原子核束缚，从材料表面逸出所需的最小能量，称为逸出功。
由上可见，电弧的产生，第一是由于热的作用，发生热发射和热游离；第二是由于电场的作用，发生冷发射和碰撞游离，在气隙间出现大量电子流，使气体由绝缘体变成导体。应该注意的是，在整个过程中几种物理作用并不是截然分开的，而是交叉进行或同时存在的。电弧燃烧期间，起主要作用的是热游离。因而，使电弧迅速冷却是熄灭电弧的主要方法。从能量的角度来说，电弧燃烧时要从电源不断向电弧内部输入能量，而这个能量又不断转变为电弧的热量通过传导、对流及辐射三种方式散失。
在开关电器的触头间，发生游离过程的同时，还发生着使带电质点减少的去游离过程。
3.电弧的特点
导电性强、能量集中、温度高、亮度大、重量轻、易变性等。电弧的产生，会伴随着高达数千度甚至上万度的高温及强烈的光辐射。这对电器的危害极大，它使触头开断后电路仍有电流，电弧的高温使触头金属熔化，甚至使整个电器烧毁、爆炸发生火灾。
电弧放电是两个电极在一定电压下由气态带电粒子，如电子或离子，维持导电的现象。当电源提供较大功率的电能时，若极间电压不高（几十伏），两极间气体或金属蒸气中可持续通过较强的电流（几安至几十安），并发出强烈的光辉，产生高温，这就是电弧放电。电弧是一种常见的热等离子体。
电弧放电可分为3个区域：阴极区、弧柱和阳极区，如图2-10所示。其导电的机理是：阴极依靠场致电子发射和热电子发射效应发射电子；弧柱依靠其中粒子热运动相互碰撞产生自由电子及正离子，呈现导电性，这种电离过程称为热电离；阳极起收集电子等作用，对电弧过程影响常较小。在弧柱中，与热电离作用相反，电子与正离子会因复合而成为中性粒子或扩散到弧柱外，这一现象称为去电离。在稳定电弧放电中，电离速度与去电离速度相同，形成电离平衡。能量的产生是电弧的焦耳热，能量的发散则通过辐射、对流和传导三种途径。改变散热条件可使电弧参数改变，并影响放电的稳定性。
图2-10 电弧的三个区及电弧电位U、电场强度E的分布曲线
电弧通常可分为长弧和短弧两类。一般把弧长小于或等于弧径的电弧称为短弧，而把弧长大大地超过弧径的电弧称为长弧。长弧中弧柱起重要作用，电弧压降的大小也主要由弧柱压降来决定；短弧长度在几毫米以下，阴极区起主要作用，电弧压降主要反应的是极前压降，电弧电压几乎不随电流的变化而变化。
4.电弧的用途
电弧放电可用于焊接、冶炼、照明、喷涂等。这些场合主要是利用电弧的高温、高能量密度、易控制等特点。在这些应用中，都需使电弧稳定放电。目前的电子产品，如等离子电视、等离子显示器的显示原理也是依赖电弧放电。电弧可作为强光源如弧光灯，紫外线源如太阳灯或强热源如电弧炉，电弧具有热效应。
5.电弧熄灭的物理过程
当电弧稳定燃烧时是处在热动平衡状态，此时不可能有电子和离子的积累。这说明电弧中气体存在游离现象的同时还存在一个相反的过程，我们称之为消游离。消游离就是正、负带电粒子中和而变成中性粒子的过程。消游离的方式分两类：复合和扩散。
复合：带异性电荷的粒子相遇后相互作用中和而变成中性粒子的过程称为复合。复合按其作用的地点不同可分为：
（1）表面复合：带正、负电荷的粒子附在金属或绝缘材料表面上，相互吸引而中和电荷，变成中性粒子。
（2）空间复合：带正、负电荷的粒子在放电间隙中相互吸引而中和电荷，变成中性粒子。自由电子与正离子相遇，相互吸引中和电荷而变成中性粒子，称为直接复合。由于自由电子的运动速度比正离子大得多，所以直接复合的概率很小。往往自由电子黏合在中性粒子上，再与正离子相遇而复合，中和电荷形成两个中性粒子。这种过程称间接复合。因为正、负离子的运动速度相当，间接复合的概率大，约为直接复合的上千倍。带电粒子运动速度是直接影响复合作用大小的重要因素，复合速度也受温度的影响，温度升高，离子运动速度加大，它们复合的概率就减少，降低温度、减小电场强度可使粒子运动速度减小，易于复合；带电粒子浓度增大时，复合机会增多，复合作用也可以加强，在电弧电流不变的条件下，设法缩小电弧直径，则粒子浓度可增大；此外，加入大量的新鲜气体分子，也可增强复合作用。
扩散：电弧表面的带电粒子从电弧区转移到周围介质中去的现象称为扩散。电弧是一个电子和离子高度密集的空间，同时其中温度很高。它和气体分子一样，有均匀地分布在容积中的倾向，这样电子便从弧隙中向四周扩散，扩散出来的电子（或离子）因冷却互相结合而成为中性分子，这种过程的进行不在电弧的内部，而在电弧的表面空间进行。扩散的方向一般从高温、高浓度区向低温、低浓度区。扩散使电弧中的带电粒子减少。扩散出来的带电粒子因冷却很容易相互结合，中和电荷而形成中性粒子。扩散速度与电弧内外浓度差、温度差成正比。电弧直径越小，弧区中带电粒子浓度越大；电弧与周围介质温差越大，扩散速度均越大。因此，加速电弧的冷却是提高扩散作用的有效方法。
由此可见，电弧中存在着游离和消游离两方面的作用。当游离作用占优势时电弧就会产生和扩大；当消游离作用占优势时，电弧就趋于熄灭；当游离作用和消游离作用处于均衡状态时，则弧隙中保持一定数量的电子流而处于稳定燃烧状态。要使电弧熄灭，就必须增加消游离作用，而抑制游离作用。
6.直流电弧的伏安特性
直流电弧是指产生电弧的电路电源为直流。当直流电弧稳定燃烧时，电路仍是导通的，因而电弧中有电弧电流，电弧两端有电弧压降。电弧的伏安特性就是指电弧电压与电弧电流之间的关系曲线，它实质上是反映电弧内的物理过程，是电弧重要特性之一。由于影响电弧伏安特性的因素很多，通常可用实验方法求得。如图2-11所示，是由实验方法获得的电弧伏安特性曲线及实验电路。
图2-11 电弧的伏安特性曲线及实验电路
如图2-11中电路图所示，在两个铜极之间的空气中有一稳定燃烧的电弧。我们通过调节可变电阻R的值非常缓慢地调节回路电流，在这个过程中分别测量电弧电流IDH和电弧两端电压UDH，可绘出其伏安特性，如图2-11中曲线1。此伏安特性称为直流电弧的静伏安特性（简称静特性）。静特性是指在电弧稳定燃烧条件下，电弧不受热惯性影响时，电弧电流与电弧压降的关系。从曲线1可见，触头在开断直流电路时所产生的电弧，相当于在电路中串入一个非线性电阻，当电弧电流增加时，电弧电压减小。这和我们熟知的普通电路的情况相反。在普通电路中，当电流增加时，电阻上的电压也增加，这是因为电路中的电阻值不变的缘故。但在弧隙中，电弧电阻是随着电弧电流而变化的。随着电流的增大，电弧内的游离作用越来越激烈，离子浓度越来越大，导电性越好，其对外所呈现的电阻值越小，从而维持电弧稳定燃烧所需的电压也相应减小；反之，当电弧电流减少时，维持电弧稳定燃烧所需的电压相应增大。
若调节可变电阻R来调节回路电流，让回路电流以较高速度增加或减少，则可得曲线3和2。这时所得的伏安特性称直流电弧的动伏安特性（简称动特性）。动特性是指在电弧不稳定燃烧条件下，电弧电流变化快，其热惯性对电弧有影响时，电弧电流与电弧压降的关系。根据电流变化速度不一样，动特性曲线有许多条。从图2-11中可得出，伏安特性曲线1、2、3并不重合，而且电流增加过程的伏安特性3位于静伏安特性1之上方，电流减小过程的伏安特性2位于静伏安特性1的下方。其原因是当回路电流以一定速度变化时，电弧内部有保持原来热状态（游离和消游离状态）的热惯性作用，致使电弧内部状态的变化总是滞后于回路电流的变化。当回路电流变化速度越大时，这种热惯性作用就越明显。电弧的电阻也就不同于相应点应有的电阻值，电弧的压降同样就和相应点的压降不同。
在图2-11中，静特性曲线1与纵轴交点的电压值称为燃弧电压，用Ur1表示。所谓燃弧电压，就是产生电弧所必需的最低电压，电压低于此值，就不足以点燃电弧。伏安特性曲线2与纵轴交点的电压值称为熄弧电压，用Us1表示。所谓熄弧电压，就是指熄灭电弧的最高电压，电压高于此值，电弧将不能熄灭。熄弧电压实际上总是略低于维持电弧燃烧所需的最低电压。其原因是燃弧前弧隙中介质强度高，即游离程度小，要形成电弧就必须具有较高的电压。燃弧电压应比维持电弧所需的最低电压要高。
7.影响电弧伏安特性的因素
影响电弧伏安特性的因素主要有以下两方面：
（1）电弧的伏安特性与弧长有关。在其他条件相同时，弧长L越长，静伏安特性越向上移，如图2-11中曲线4所示。其原因如下：在同一电流情况下，电弧拉长后的总电阻增加，因而电弧的电压就增大了。由于静伏安特性向上平移，燃弧电压和熄弧电压也都要增加。从这个角度来说，拉长电弧，可以加速电弧的熄灭。
（2）电弧的伏安特性还与周围介质温度、本身的冷却条件有关。在良好的冷却和通风条件下，电弧的负荷和扩散就会加强，使消游离作用加强，弧隙间的带电离子浓度降低，弧电阻增加，伏安特性曲线上移。所以，在弧长一定的条件下，冷却条件好，电弧易熄灭。
8.直流电弧的熄灭
直流电弧最常见的熄弧方法是采用机械力使电弧拉长。在开关触头断开时，加速触头分离，将电弧迅速拉长，从而降低开关触头之间的电场强度，或者说电弧不足以维持电弧的燃烧，而使电弧熄灭。再利用磁吹、气吹或电动力等方法带动绝缘介质的气流来拉长电弧，使电弧迅速扩散，加强冷却，从而达到灭弧的目的。
9.交流电弧的伏安特性
交流电弧与直流电弧有所不同，交流电流的瞬时值随时间变化，交流电弧的温度、直径及电弧电压都会随时间的变化而变化，由于交流电弧自身具有不断变化的值，它的伏安特性都是动特性。由于弧柱的受热升温和散热降温都有一个过程，比电流的变化要慢，所以电弧温度的变化总是滞后于电流的变化，这种现象称为电弧的热惯性。
交流电弧每周期内有两次过零点，电流经过零点时，弧隙的输入能量等于零，电弧温度下降，电弧自然熄灭。而后随着电压和电流的变化，电弧重新燃烧。因此，交流电弧的燃烧，实际上就是电弧的点燃、熄灭周而复始的过程。这个特点也反映在它的伏安特性中。
图2-12为交流电弧在一周内的伏安特性。图中箭头方向表示了电流的变化和方向。从O点开始，因电弧还未产生，所以随着电压的增加只有小量的由阴极发射产生的电流。到A点时电弧点燃，随着电流的增大，电弧电阻减小，电弧压降也下降，直到B点，此时弧电流达到峰值。到达B点后随着电流的减小，弧电阻增加，电弧压降上升。变化到C点时，电弧电流趋近于零，电压达到熄弧电压，电弧熄灭。当电流过零点后，在第三象限重复上述规律。由于热惯性的作用，电弧电阻的变化总是滞后于电流的变化。交流电弧电流通过零点时，由于电源停止供给电弧能量，热游离迅速下降，为电弧的最终熄灭创造了最有利的条件，此时只要采取一定的消游离措施，使少量的剩余离子复合，就能防止电弧在下半周重燃，使电弧最终熄灭。因此，交流电弧比直流电弧容易熄灭。我们通常把利用电弧电流自然过零的特点进行的熄弧称为零点熄弧原理。
图2-12 交流电弧的伏安特性
10.交流电弧过零后的物理过程
交流电弧由于弧电流过零时，电源停止供给能量，电弧自然熄灭。但是交流电弧过零自然熄灭后，还会重新燃烧。交流电弧电流过零期间，同时存在两个对立的基本过程，一是弧隙介质强度恢复过程，一是弧隙电压的恢复过程。
（1）弧隙介质强度恢复过程。
能够承受外加电压而不致使弧隙击穿的电压称为弧隙介质强度。交流电弧过零熄灭后，由于弧电流值下降至零，弧隙温度迅速下降，促进了消游离作用，使弧隙由原来的导电状态转变为绝缘介质状态，此过程称为介质强度恢复过程。这是促使电弧熄灭的因素。这个过程的快慢与许多因素有关，如温度、散热情况、空间位置等。在靠近两极的区域，由于金属材料的传热性好，所以此区域的温度要比弧柱区的温度低，故此处的介质强度恢复要比弧柱区快。介质强度恢复快慢主要取决于灭弧装置的结构和灭弧介质的性质。
近阴极效应对介质强度恢复过程也是一个影响因素。所谓近阴极效应就是在交流电弧电流过零后弧隙几乎立即出现一定的介质强度的现象。近阴极效应所产生的起始介质强度与电极材料、温度，特别是所通过的电流有关。近阴极效应是交流短弧熄弧的主要因素，是低压交流电器的主要熄弧方法。
（2）弧隙电压的恢复过程。
在交流电路中，电流过零电弧熄灭后，触头两端电压从熄弧电压恢复到电源电压的过程称电压恢复过程。我们把恢复过程中的电压称为恢复电压。弧隙电压的恢复过程与触头结构、负荷性质及线路的参数有关。
11.交流电弧熄灭的条件
交流电弧过零后，弧隙间介质强度的恢复和电压的恢复是两个对立的过程。因为介质强度恢复过程主要是弧隙内部带电粒子不断减少的过程，而电压恢复过程则相反，它使弧隙中的气体产生新的游离而使带电粒子不断增加。那么可以简单地确定交流电弧熄灭的条件为：交流电弧电流过零后，如果弧隙介质强度恢复的速度超过了弧隙电压恢复的速度，则电弧熄灭。反之，电弧重燃。
在交流电弧熄灭过程中有两方面的因素要加以考虑：
（1）交流电弧电流过零是最有利的灭弧时机，这时输入弧隙的功率趋近于零，如电弧散失的功率大于此时由电源输入的功率，电弧就会熄灭。
（2）对交流电弧的电路参数而言，电源电压越高，恢复电压峰值也越高，熄弧越困难。电弧熄灭前电路的电流越大，电弧功率越大，熄弧越困难。电路中电感比例越大，熄弧越困难。
12.灭弧的基本方法
电弧燃烧时，电弧的温度是很高的，此时热游离起着主要作用，因而拉长电弧、降低温度、将长弧变为短弧、将电弧放置于特殊介质中、增大电弧周围气体介质的压力等，都成为加速熄灭电弧的主要手段。为了减少电弧对触头的烧损和限制电弧扩展的空间，通常要采用的装置称为灭弧装置。一个灭弧装置可以采用某一种方法进行熄弧，但在大多数情况下，则是综合采用几种方法，将这些方法加以综合应用，以增加灭弧效果。例如，拉长和冷却电弧往往是一起运用的。
（1）拉长灭弧法。
电弧拉长以后，电弧电压就增大，改变了电弧的伏安特性。在直流电弧中，其静伏安特性上移，电弧可以熄灭。在交流电弧中，由于燃弧电压的提高，电弧重燃困难。
（2）多断点灭弧。
在电路中通常采用多断口灭弧。如双断点桥式触头，有两个断口就相当于两对电极，需要两倍的恢复电压电弧才能重燃，所以有利于灭弧。
（3）磁吹灭弧。
当需要开断较大电流时，为了有较大的电动力来拉长电弧，专门设置了一个产生磁场的吹弧线圈，这种利用磁场力使电弧运动拉长而熄灭的方法称为磁吹灭弧。
（4）灭弧罩。
灭弧罩是用来拉长和冷却电弧，让电弧与固体介质相接触，降低电弧温度，并将电弧限制在一定范围内燃烧，增加消游离因素，从而加速电弧熄灭的比较常用的装置。一般安装在分断大电流的电器触头上。
（5）油冷灭弧装置。
油冷灭弧是将电弧置于液体介质（一般为变压器油）中，电弧将油汽化、分解而形成油气。油气中主要成分是氢，在油中以气泡的形式包围电弧。氢气具有很高的导热系数，这就使电弧的热量容易散发。另外，由于存在温度差，所以气泡产生运动，又进一步加强了电弧的冷却。
（6）气吹灭弧装置。
气吹灭弧是利用压缩空气来熄灭电弧的。压缩空气作用于电弧，可以很好地冷却电弧、提高电弧区的压力、很快带走残余的游离气体，所以有较高的灭弧性能。
（7）横向金属栅片灭弧。
横向金属栅片又称去离子栅，它利用的是短弧灭弧原理。用磁性材料的金属片置于电弧中，将电弧分成若干短弧，利用交流电弧的近阴极效应和直流电弧的近极压降来达到熄灭电弧的目的。
（8）真空灭弧装置。
真空灭弧是使触头电弧的产生和熄灭在真空中进行，它是依据零点熄弧原理，以真空为熄弧介质工作的。真空的特点是耐压强度高，介质强度恢复速度快、绝缘能力和分断电流的能力强。
（六）电器的传动装置
电器泛指所有用电的器具，从专业角度上来讲，主要是指用于对电路进行接通、分断，对电路参数进行变换，以实现对电路或用电设备的控制、调节、切换、检测和保护等作用的电工装置、设备和元件。电器通常由三大部分组成，即感测部分、执行部分和灭弧机构。触头机构和灭弧系统在前面的学习中我们已经有了一定了解和认识，今天我们一起学习电器的传动装置。在车辆电器中主要应用电磁传动装置和电空传动装置，薄膜传动也有一定应用。电磁传动装置实际上就是一个电磁铁，是电器的感测部分，它接收外界的信号，并通过转换、放大、判断，做出相应的反应，使电器的执行机构动作，并输出相应的指令，实现控制目的。是一种通过电磁铁把电磁能转变成机械能来驱使电器触头动作的机构，完成接通和分断电路的任务，是电磁式电器的重要组成部分之一。
图2-13 拍合式电磁铁的结构原理
1.电磁传动装置的组成及工作原理
电磁铁的形式有很多，比如螺管式、直动式、E形、U形等，但它们的基本组成和工作原理却是相同的。拍合式电磁铁的结构原理如图2-13所示。电磁铁主要由吸引线圈、铁芯、弹簧、空气隙和衔铁等几部分组成。铁芯和衔铁一般用软磁材料制成。衔铁又称为动铁芯，当线圈通电后，铁芯和衔铁被磁化，成为极性相反的两块磁铁，它们之间产生电磁吸力。当吸力大于弹簧的反作用力时，衔铁开始向着铁芯方向运动。当线圈中的电流小于某一定值或中断供电时，电磁吸力小于弹簧的反作用力，衔铁将在弹簧反作用力的作用下返回原来的释放位置。
如图2-14所示为直流接触器和继电器常用的拍合式电磁铁，它由线圈、极靴、铁芯、磁轭和衔铁等组成。线圈套装在铁芯上，极靴与衔铁之间的空气隙称为工作气隙，磁轭与衔铁之间的气隙称为棱角气隙。极靴用来增大气隙磁导，并可以压住线圈。非磁性垫片用来减少剩磁通，以防线圈断电后衔铁被剩磁吸力吸住而不能释放。由于非磁性材料的磁导率和空气的磁导率很接近，故可认为是一个空气隙，称非工作气隙。
其工作原理是：在线圈未通电时，衔铁在反力弹簧的作用下，处于打开位置，衔铁与极靴之间保持一个较大的气隙。当线圈接通电源后，线圈中产生磁势IW，在磁系统和工作气隙所构成的回路中产生磁通Φ，其流向用右手螺线管法则确定。根据磁力线流入端为S极，流出端为N极的规定，在工作气隙两端的极靴和衔铁相对的端面上产生异性磁极。由于异性磁极相吸，于是在铁芯和衔铁间产生电磁吸力。当电磁吸力产生的转矩大于反力弹簧反作用力产生的转矩时，衔铁被吸向铁芯，直到与极靴接触为止，并带动触头动作。这个过程称为衔铁的吸合过程，衔铁与极靴接触的位置称为衔铁闭合位置。此时，衔铁与极靴之间仍有一个很小的气隙。
图2-14 直流拍合式电磁铁的结构原理
当线圈中的电流减小或中断时，铁芯中的磁通变小，吸力也随之减小，如果吸力小于反力弹簧的反力（归算后），衔铁在反力弹簧的作用下返回至打开位置，并带动触头处于另一工作位置，这个过程称为衔铁释放过程。
由此可见，只要控制电磁铁吸引线圈电流（或电压）就能通过触头来控制其他电器。
我们规定：当线圈失电时，触头若是打开的，称为常开触头（也称动合触头）；触头若是闭合的，则称为常闭触头（也称动断触头）。
电磁铁的用途很广，如在接触器中，利用电磁铁带动触头运动，只要控制电磁铁线圈电流的通断，就能使电磁铁完成某一工作任务，实现自动控制及远距离操纵的目的。在许多继电器中利用电磁铁作感受元件，它可以反映出电路中电压、电流、功率等参数的变化，对电路及电气设备进行保护和控制。
2.电磁铁（电磁传动装置）的分类
电磁铁的结构形式很多，比如螺管式、直动式、E形、U形等，图2-15所示是几种常见电磁铁的结构形式。
电磁铁可以按线圈电流种类、连接方式、衔铁运动方式和磁系统形状等分类。
（1）按吸引线圈通电电流的性质，可分为直流电磁铁和交流电磁铁。
直流电磁铁线圈通的是直流电流，当电流达到稳定以后，磁通是恒定的，磁通不随时间而变化，在铁芯中没有涡流和磁滞损耗，铁芯可用整块钢或工程纯铁制造。为了便于制造，铁芯和极靴一般做成圆形，线圈也做成圆形，形状细高，与铁芯配合较紧密。
交流电磁铁的吸引线圈通的是交流电流，导磁体中磁通Φ是交变的，在铁芯中有涡流和磁滞损耗，铁芯一般用硅钢片叠制而成。为了便于制造，把铁芯制成方形，线圈往往也制成方形，且为“矮胖型”，线圈与铁芯间的间隙较大，以利于线圈散热。
图2-15 常见电磁铁的结构形式
（a）拍合式；（b）螺管式；（c）装甲螺管式；（d）盘式；（e）双E直动式；（f）双E转动式；（g）单U直动式
（2）按吸引线圈与电路的连接方式，可分为并联电磁铁和串联电磁铁。
串联电磁铁的线圈与负载串联，反映的是电流量，其线圈称为串联线圈或电流线圈。其阻抗要求小，故其匝数少且导线粗，应用较少，如图2-16（a）所示。
并联电磁铁的线圈与电源并联，输入电量是电压，其线圈称为并联线圈或电压线圈。其阻抗要求大，电流小，故线圈匝数多且线径细，这种电磁铁应用较为广泛，如图2-16（b）所示。
图2-16 电磁铁接入电路的方式
（a）串联电磁铁；（b）并联电磁铁
（3）按衔铁的运动方式，可分为直动式和转动式电磁铁两大类。图2-15中（a）和（f）为转动式，其余均为直动式。
（4）按磁系统的结构形状，可分为U形、E形和螺管式。图2-15中（a）和（g）为U形，（b）和（c）为螺管式，（d）、（e）和（f）均为E形。
3.电磁铁的吸力特性
吸力特性是指电磁铁的吸力与工作气隙的关系，即F＝ƒ（δ）。根据电磁铁的吸力计算公式分析：工作气隙δ小时，磁路磁阻小，衔铁上的电磁吸力F大；当工作气隙δ大时，衔铁上的电磁吸力F小。所以吸力特性近似于双曲线，如图2-17所示。对于直流电磁铁来说，由于其为恒磁势系统，即IW基本不变，当工作气隙δ变化时，磁阻变化，磁通也变化，所以吸力也随着工作气隙变化，故其特性陡峭。对于交流电磁铁来说，由于其为恒磁链系统，其磁通有效值基本不变，所以吸力随工作气隙变化较小，故其特性相对平坦。
图2-17 电磁铁的吸力特性
有时为了改变直流电磁铁的吸力特性，使其较平坦些，以减少闭合时机械冲击，在磁极端上加一极靴可使特性变得平坦。
交流电磁铁的静铁芯在靠近工作气隙处装有分磁环，分磁环是用紫铜或黄铜制成的短路环。
交流电磁铁的磁通是交变的，当磁通过零时，电磁铁的吸力为零，吸合后的衔铁在反力弹簧的作用下被拉开。磁通过零后吸力又增加，当吸力大于弹簧反力时，衔铁又吸合。如此反复动作，使衔铁产生强烈振动和噪声，严重时会使铁芯松散。因此交流电磁铁铁芯端面上都装有铜质短路环。短路环包围铁芯断面2／3左右的面积，如图2-18所示。短路环把铁芯中的磁通分成两部分，即不穿过短路环的磁通Φ1和穿过短路环的磁通Φ2，且Φ2滞后于Φ1，使合成吸力始终大于反作用力，从而消除了振动和噪声。
图2-18 分磁环及其工作原理
4.电磁铁的反力特性
反力特性是归算到工作气隙中心的所有反力Ff与工作气隙δ的关系，即Ff＝ƒ（δ）。可能有的反力有反力弹簧力（主要）、触头弹簧力、摩擦阻力、重力等。图2-19为直流接触器的反力特性示意图，斜线1为常开触头弹簧力，它只存在于动静触头刚接触到完全闭合的这个过程中。曲线2为反力弹簧力，它随工作气隙减少而增大，在触头由开断状态向闭合状态变化时，始终存在，为一斜直线；曲线1和曲线2合成的结果，即为反力特性，这里没有考虑其他反力。
5.电磁铁的吸力特性与反力特性的配合
对于一个电磁铁，如果吸力特性与反力特性配合不好，将影响其工作可靠性、寿命、参数等。对于不同性能的电磁铁，其配合有些差别，但总的要求是：吸合时，吸力大于反力，释放时，反力大于吸力（或等于）。当特性配合不好时，可改变吸力特性：调整工作气隙、线圈电流、电压等；也可以改变反力特性，如反力弹簧等。
图2-19 电磁铁的反力特性
由电磁传动装置的吸力特性可知，电磁吸力随气隙的增加而下降，因此在需要长行程、大传动力的场合，用电磁传动装置就不适宜了。而电空传动装置却能在较大行程下，保持足够大的传动力。此外，与电磁传动装置相比，采用电空传动时，有色金属的消耗及动作时的控制电源功率都可大为减少。
电空传动装置主要由电空阀和压缩空气驱动装置两部分组成。是一种以电磁阀（电空阀）控制的压缩空气作为动力，驱使触头按规定动作的执行机构。
6.压缩空气驱动装置
压缩空气驱动装置按其结构形式可分为气缸式传动装置和薄膜式传动装置两种。
（1）气缸式传动装置。
气缸式传动装置主要由气缸、活塞和电空阀等组成。它又可分为单活塞和双活塞两种形式。
单活塞压缩空气驱动装置的原理结构如图2-20所示。气缸内压缩空气的进入和排出是由电空阀控制的。
（2）薄膜式传动装置。
薄膜式传动装置的原理结构如图2-21所示，实际结构如图2-22所示。
薄膜式传动装置的工作原理是：当电空阀有电时，压缩空气进入气孔，压迫薄膜，克服弹簧张力，使活塞杆右移，带动触头动作；反之，当电空阀失电时，气缸内的压缩空气排出，触头在弹簧的作用下恢复原位。
7.电空阀
电空阀是借电磁吸力来控制压缩空气管路的导通或关断，从而达到远距离控制气动器械的目的。电空阀由电磁机构和气阀两部分组成。电磁机构由铁芯、线圈、衔铁、接线座、磁轭等组成，电磁吸力作用于气阀部分。气阀部分由阀座、上阀门、下阀门、阀杆、弹簧等组成。下阀门控制传动气缸与压缩空气气源之间的通路，上阀门控制传动气缸与大气之间的通路。电空阀按作用原理可分为开式和闭式两种。
图2-20 气缸式传动装置的原理结构
图2-21 薄膜式传动装置原理结构
图2-22 薄膜式传动装置实际结构
（1）闭式电空阀。
闭式电空阀是线圈无电时，压缩空气气源与传动气缸通路被阻断的阀，其原理结构如图2-23所示。
当线圈有电时，衔铁吸合，阀杆动作，使上阀门关闭，下阀门打开，关断了传动气缸和大气的通路，打开了气源和传动气缸的通路，压缩空气从气源经电空阀进入传动气缸，推动气动器械动作。当线圈失电时，衔铁在反力弹簧作用下打开，带动阀杆上移，使下阀门关闭，上阀门打开，关断了气源和传动气缸的通路，打开了传动气缸与大气的通路，传动气缸的压缩空气经电空阀排向大气，气动器械恢复原状。闭式电空阀在电力机车上应用较多。
（2）开式电空阀。
开式电空阀是线圈无电时，压缩空气气源与传动气缸相通，大气和传动气缸关闭的阀，其原理结构如图2-24所示。
图2-23 闭式电空阀的原理结构
图2-24 开式电空阀的原理结构
当线圈有电时，衔铁吸合，阀杆动作，使下阀门关闭，上阀门打开，关断了传动气缸和气源的通路，打开了大气和传动气缸的通路，传动气缸的压缩空气经电空阀排向大气。压缩空气从气源经电空阀进入传动气缸，推动气动器械动作。当线圈失电时，衔铁在反力弹簧作用下打开，带动阀杆上移，使下阀门打开，上阀门关闭，关断了大气和传动气缸的通路，打开了传动气缸与压缩空气气源的通路，压缩空气从气源经电空阀进入传动气缸，推动气动器械动作。
电空阀是电空传动装置中的重要元件之一，在使用中要注意经常检查和维护。当电空阀在运行中发生故障时，应分清是气路还是磁路的原因。气阀方面的故障经常表现为漏气，其原因可能是由于油污、灰尘、沙子等引起气路密封性下降，从而导致漏气现象发生。磁路方面的故障常常表现为衔铁不吸合，动作不灵活卡制，线圈吸合电压不稳定，从而导致振动噪声大。
任务二 接触器与继电器的认识
城市轨道交通具有安全、快捷、准时、舒适、运量大、无污染、占地少等鲜明的特点，是城市公共交通的一个重要组成部分，随着城市的不断发展，赢得了城市管理者和市民的青睐，逐渐成为城市最主要的交通工具。目前我国城市的轨道交通类型主要是地铁和轻轨，无论是地铁还是轻轨，供电的制式主要有750V第三轨受电和1500V架空线受电弓受电。车辆获取的电能经过牵引电机转换成机械能，供车辆运行使用。车辆启动、运行、调速、制动等都需要对电机进行一系列的控制，请同学们识读以下几个电机的控制电路，说明其工作原理与过程，找出其共同点，指出都用了哪些设备，这些设备的名称是什么，有何功用。
如图2-25所示，（a）、（b）和（c）为简单的电机控制线路接线图。按下合闸按钮SF，接触器KM的线圈得电，其常开触点闭合，接通电机回路，电机实现点动、直接启动和正反转控制。（d）和（e）是电机控制的实物接线图。观察这些图可以发现，无论是简单还是复杂的电机控制线路，都是由断路器、熔断器、按钮开关、继电器、行程开关、接触器等电气设备构成的，其共同的特点都是经过接触器的主触点接通电机回路，而把接触器的线圈接在控制回路中，这样既可以实现远距离控制，又可以用低电压、小电流来控制高电压、大电流，从而保证设备和人身安全。那么，接触器和继电器的结构是怎样的？又有几种形式呢？在轨道交通车辆上有哪些应用？这是本任务要学习的问题。
（一）电磁接触器及应用
1.接触器的用途和基本特点
接触器是工业控制中应用非常广泛的一种电器。用来接通或切断带有负载的较大电流电路的自动控制电器。在电力机车上用于频繁地接通或切断正常工作情况的带有负载的主电路和辅助电路或大容量的控制电路。与其他开关电器相比，它有以下特点：动作次数频繁，能通、断较大电流，可以实现一定距离的控制。
2.接触器的组成
接触器的结构种类很多，一般由以下几部分组成：
（1）电磁系统。
包括驱使触头闭合的装置和开断触头的弹簧机构以及缓冲装置。用来可靠地驱使触头按规定要求动作，以实现接触器的职能。
（2）触头系统。
分主触头和联锁触头两部分。
主触头由动、静主触点和触头弹簧等组成。它是接触器的执行部分，用于直接实现电路的通、断。主触头接通和分断的是主电路，额定电流比较大，通常为数安到数百安，甚至可能高达数千安。
（3）灭弧系统。
灭弧系统一般与主触头配合使用，主要用于熄灭触头开断电路时产生的电弧，减少电弧对触头的破坏作用，切断电路并保证触头可靠地工作。根据电流的性质、灭弧方法和原理，可以制成各种灭弧装置。小容量的接触器，可采用桥式双断点触头灭弧、电动力灭弧；大容量的接触器，可采用删片灭弧和灭弧罩灭弧。
（4）支架和固定装置。
属于非工作部分，用于合理地安装和布置电器各部件，使接触器构成一个整体。支架和固定装置应有足够的机械强度，并能对内部部件起到保护作用，保证接触器达到一定的寿命。
图2-25 电动机控制原理示意图
（a）电动机的点动控制；（b）电动机的直接启动；（c）带互锁的电机正反转控制；（d），（e）电动机控制的实物接线图
3.接触器的分类
接触器的用途很广，种类繁多，一般有以下几种分类方法：
（1）按传动方式可分为电磁式接触器和电空式接触器。电磁接触器采用电磁传动装置，电空接触器采用电空传动装置。电磁接触器一般应用于机车的辅助电路中，电空接触器应用于主电路中，用较小的控制功率，实现较大行程和接触压力的控制。
（2）按主触头通断电流的性质可分为交流接触器和直流接触器。
（3）按接触器主触头所处的介质可分为空气式接触器、真空式接触器和油浸式接触器。空气式接触器的主触头敞在大气中，采用的是一般的、常用的灭弧装置。而真空式接触器的主触头却密封在真空装置中，它利用的是真空灭弧原理，具有很高的切换能力。
（4）按接触器主触头数目可分为单极接触器和多极接触器。单极接触器只有一对主触头，多极接触器有两对以上的主触头，它们分别用于控制单相和多相电路。
（5）按接触器线圈接入电路的方式可分为串联接触器和并联接触器。
4.接触器的基本参数
根据接触器的用途和工作特点，接触器的基本参数除额定电压和额定电流以外还有以下几个：
（1）切换能力。
切换能力又称开闭能力、通断能力，是指接触器的主触头在规定条件下能可靠地接通和分断负载的能力。接触器的主触头虽然不要求开断短路电流，但它还是有可能在大于额定电流的情况下接通或切断负载电路的，此时触头可能引起严重烧损，甚至发生熔焊等故障。因此，必须规定接触器在一定的条件下接通和切断高于额定电流和电压的具体指标，在此电流值下接通和分断负载时，不应发生熔焊、飞弧和过分磨损等现象。保证接触器能在较恶劣的条件下可靠地工作。
（2）动作值和释放值。
指接触器的电压和电流的动作值和释放值。电磁式接触器的动作电压即吸合电压不低于线圈额定电压的85%，释放电压不高于线圈额定电压的70%。对电空接触器而言，主要指电空阀的动作电压及气缸相应的气压值。
（3）操作频率。
指接触器在每小时内允许操作的次数。接触器的操作频率越高，每小时开闭的次数就越多，触头及灭弧室的工作任务也就越重，对交流接触器来说，线圈受到的冲击电流及衔铁铁芯受到的冲击次数也就越多。
操作频率直接影响到接触器的电气寿命和灭弧室的工作条件，对于交流接触器还影响到线圈的温升，所以，这是一个重要的技术指标。目前，常用的接触器操作频率有每小时150次、300次、600次和1200次等几种规格。
（4）机械寿命和电气寿命。
机械寿命指的是接触器在无负载操作下无零部件损坏的极限动作次数。电气寿命指的是接触器在规定的操作条件下，且无零部件损坏的极限动作次数。由于接触器的操作频率较高，为了保证一定的使用年限，应有较长的机械寿命和电气寿命。目前，接触器的机械寿命一般可达数百万次以至一千万次以上，而电气寿命则按不同的使用类别和不同的机械寿命级别有一定的百分比，一般为机械寿命的1／5左右。
（5）动作时间、释放时间。
动作时间（又称闭合时间）是指从电磁铁吸引线圈通电瞬时起到衔铁完全吸合所需要的时间，释放时间（又称开断时间）是指从电磁铁吸引线圈断电瞬时起到衔铁完全打开所需要的时间。为了能准确可靠地对有关电路进行控制，对接触器的动作时间也有一定的要求，如直流接触器的闭合时间一般为0.04～0.11s，开断时间为0.07～0.12s，交流接触器的闭合时间一般为0.05～0.1s，而开断时间为0.1～0.4s。
接触器除应满足以上基本参数的要求外，电磁接触器还应满足在85%额定控制电压下能保证接触器正常工作，并适当考虑工作制的要求。
5.直流接触器
直流接触器主要用于远距离接通和分断直流电路以及频繁地启动、停止、反转和反接制动直流电动机，也用于频繁地接通和断开起重电磁铁、电磁阀、离合器的电磁线圈等。直流接触器有立体布置和平面布置两种结构，有的产品是在交流接触器的基础上派生的。因此，直流接触器的结构和工作原理与交流接触器的基本相同，主要由电磁机构、触点系统和灭弧装置三大部分组成。
（1）电磁机构。直流接触器电磁机构由铁芯、线圈和衔铁等组成，多采用绕棱角转动的拍合式结构。
由于线圈中通的是直流电，正常工作时，铁芯中不会产生涡流，铁芯不发热，没有铁损耗，因此铁芯可用整块铸铁或铸钢制成。直流接触器线圈匝数较多，为了使线圈散热良好，通常将线圈绕制成长而薄的圆筒状。由于铁芯中磁通恒定，因此铁芯极面上也不需要短路环。为了保证衔铁可靠地释放，常需在铁芯与衔铁之间垫有非磁性垫片，以减小剩磁的影响。
（2）触点系统。直流接触器有主触点和辅助触点。主触点接通或断开的电流较大，采用双断点桥式结构或单断点转动式结构，辅助触点的通断电流较小，常采用点接触的双断点桥式触点。
（3）灭弧装置。由于直流电弧不像交流电弧有自然过零点，直流接触器的主触点在分断较大电流（直流电路）时，灭弧更困难，往往会产生强烈的电弧，容易烧伤触点和延时断电。为了迅速灭弧，直流接触器一般采用磁吹式灭弧装置，并装有隔板及陶土灭弧罩。对小容量的直流接触器也有采用永久磁铁产生磁吹力的，对中大容量的接触器则常用纵缝灭弧加磁吹灭弧法。
工作原理：其工作原理类同电磁铁的工作原理。当吸引线圈未通电时，衔铁在反力弹簧的作用下打开，常开触头断开，常闭触头闭合；当吸引线圈得电时，铁芯与衔铁之间产生的电磁吸力将衔铁吸合，使常开触头闭合，常闭触头打开。
6.交流接触器(https://www.daowen.com)
交流接触器广泛用作电路的开断和控制电路。它利用主触头来开闭电路，用辅助触头来执行控制指令。主触头一般只有动合接点，而辅助触头常有两对具有动合和动断功能的触头，小型的接触器也经常作为中间继电器配合主电路使用。
交流接触器主要由四部分组成：
（1）电磁系统：包括吸引线圈、动铁芯和静铁芯，是接触器的重要组成部分，依靠它带动触点的闭合与断开。
（2）触头系统：触头是接触器的执行部分，包括主触头和辅助触头。主触头的作用是接通和分断主回路，控制较大的电流，而辅助触头是在控制回路中，以满足各种控制方式的要求。触头系统一般包括三组主触头和一至两组常开、常闭辅助触头。它和动铁芯是连在一起互相联动的。
（3）灭弧装置：灭弧装置用来保证触头断开电路时，产生的电弧可靠地熄灭，减少电弧对触头的损伤。为了迅速熄灭断开时的电弧，一般容量较大的交流接触器都设有灭弧装置，一般采用半封式纵缝陶土灭弧罩，并配有强磁吹弧回路。
（4）其他部分：有绝缘外壳及附件、各种弹簧、传动机构、短路环、接线柱等。
工作原理：当电磁线圈通过控制回路接通控制电压（一般为额定电压）时，静铁芯产生电磁吸力，电磁力克服弹簧的反作用力将衔铁吸向静铁芯，由于触头系统是与动铁芯联动的，因此动铁芯带动三条动触片同时运行，带动主触头闭合，接通电路，辅助接点随之动作。当接触器电磁线圈不通电时，吸力消失，弹簧的反作用力和衔铁芯的自重使主触头保持断开位置，切断电源。交流接触器的触头，由银钨合金制成，具有良好的导电性和耐高温烧蚀性。
7.接触器的型号意义
（二）电空接触器
电空传动的电器具有体积小、重量轻、传动力大等优点，在电力机车上广泛采用电空式接触器，用来通、断带有负载的主电路和大容量的控制回路。其主要特点是能实现远距离的自动控制，操作频率较高，通、断电流大，应用范围广。在轨道交通车辆中，电空接触器主要用于控制牵引电动机接入电源、短接电阻及进行磁场削弱等。图2-26为电空接触器的工作原理示意图。
图2-26 电空接触器工作原理示意图
电空接触器一般由触头系统、灭弧系统、传动系统组成。其中触头系统由主触头和联锁触头组成；灭弧系统由磁吹线圈、导磁极板、导弧角和灭弧罩等组成；传动系统由电磁阀、传动风缸、传动杆组成。当电空阀线圈得电时，其控制的压缩空气进入传动气缸，推动活塞，压缩开断弹簧而向上运动，使动静触头闭合。当电空阀线圈失电时，其控制的压缩空气排向大气，在开断弹簧的作用下，推动活塞带动活塞杆和动触头下移，动、静触头打开，同时灭弧。在主触头动作的同时，联锁触头也相应动作。
（三）真空接触器
真空接触器利用零点熄弧原理，以真空为灭弧介质，比较适用于交流电路（若熄灭直流电弧，需采取适当的措施）。它与交流电磁接触器相比有更多的优点：体积小，重量轻，操作时噪声小，分断能力高，耐压强度高，介质恢复速度快，电气和机械寿命长等。以真空为灭弧介质的真空灭弧可在重任务条件下供重要场合使用。但也易出现电弧电流过零前熄灭的问题，出现截流，故在电感电路中产生过电压。
（四）继电器及应用
1.继电器的定义、基本组成及工作原理
继电器是一种根据某一输入量（电物理量或非电物理量）的变化来接通或断开小电流控制电路，以实现自动控制、保护设备或转换信号的功能的自动电器。其主要用于控制电路中。
继电器一般都应由测量机构、比较机构和执行机构等部分组成，其原理组成方框图如图2-27所示。典型结构原理图如图2-28所示。
图2-27 继电器原理组成方框图
图2-28 电磁式继电器的典型结构原理图
测量机构是反应继电器输入量的装置，用于接收输入量，并将其转换成继电器工作所必需的物理量。比如电磁型继电器，测量机构是线圈和铁芯构成的磁系统，用来测量输入电量的大小，并在衔铁上将电量的大小转换成相应的电磁吸力。
比较机构的作用是将输入量（或转换量）与其预设的整定值进行比较，根据比较结果决定执行机构是否动作，如电磁继电器的反力弹簧等。当电磁力大于反力弹簧的反力时，衔铁吸合，触头动作，继电器有输出；当电磁力小于反力弹簧的反力时，衔铁不吸合，触头不动作，继电器没有输出。一般可以在比较环节上调整（整定）继电器的动作值。
执行机构是反应继电器输出的装置，它作用于被继电器控制的相关电路中，以得到必需的输出量。执行机构根据比较的结果决定是否动作：有触点电器中触点的分、合动作，无触点电器中晶体管的饱和、截止两种状态，都能实现对电路的“通”“断”控制。输出量是根据比较结果来决定有无的。不管输入是何物理量，输出量往往是电量。
工作原理：测量机构接收输入量（电压或电流信号），并将这个信号转变为继电器工作所需的物理量（电磁吸力），通过比较机构进行比较（电磁吸力与反力弹簧的反力），当电磁吸力大于反力弹簧的反力时，继电器达到动作值而动作，促使执行机构（触头系统）动作，常开触点闭合，常闭触点打开，继电器有电量信号输出；当电磁吸力小于反力弹簧的反力时，继电器达到释放值而返回，执行机构（触头系统）回到原始状态，常开触点断开，常闭触点闭合，继电器无输出信号。
2.继电器的分类
继电器的用途很广，种类繁多，继电器有多种分类方法，下面仅根据继电器在轨道交通车辆上使用的情况来分类。
（1）按用途可分为控制继电器和保护继电器。
（2）按动作原理可分为电磁式继电器（反应电量的继电器）、机械式继电器（反应非电量的继电器）。
（3）按执行机构的种类可分为有触点继电器和无触点继电器。有触点继电器的执行机构为触头，通过触头的闭合和分断来执行动作；无触点继电器则通过晶体管的饱和和截止来实现有触点继电器触头动作职能。
（4）按输入电流性质可分为直流继电器和交流继电器。
（5）按输入的物理量可分为电流继电器、电压继电器、时间继电器、中间继电器、压力继电器等。
3.继电器的特点
在电力机车上，继电器一般不直接控制主电路或辅助电路，而是通过接触器或主、辅电路中的其他电器对主电路及辅助电路进行控制。同接触器相比较，继电器具有以下特点：
（1）继电器触头容量小，采用点接触形式，没有灭弧装置，体积和重量也比较小，不能用来开断主电路及大容量的控制电路。
（2）继电器的灵敏度要求极高，输入、输出量应易于调节，具有足够的整定值调整范围，在规定的使用条件下，继电器必须具有较高的可靠性和准确性。
（3）继电器能反映多种信号（如各种电量、速度、压力等），其用途很广，外形多样化。
4.继电器的继电特性
设继电器的输入量为X，输出量为Y。由继电器的工作原理可知，当继电器线圈的电压或电流达到一定值X1时，衔铁吸合，使常开触点闭合，触点回路接通，使得输出端输出量由零跃变到最大值；随着输入量的继续增加，输出量均保持Ymax不变。如果将输入量逐渐减小，在减小到X2之前，输出量应保持Ymax不变；当线圈电压或电流逐渐减小到一定值X2时，衔铁释放，常开触点也随之断开，触点回路被切断，输出端的输出量由最大值跃变到零。随后，输入量继续减小，输出量均保持零不变。电磁继电器利用线圈中的电压或电流来控制触点回路的电压或电流，当线圈中的电信号变化到一定值时，触点回路的电信号呈现阶跃式的变化（由0变至最大）。继电器的输入量与输出量之间有一特定的关系，这就是继电器最基本的输入-输出特性，亦称继电特性，如图2-29所示。
图中，X1是使继电器动作所需的最小输入量；称为继电器的动作值；X2是使继电器释放所需的最大输入量，称为继电器的返回值。
5.继电器的基本参数
（1）额定参数。
指输入量、输出量的额定值及触点的额定电压、额定电流等。
（2）动作值。
继电器吸合动作所需要的最小物理量的数值，如电流继电器的动作电流、电压继电器的动作电压等，也称为整定值。
（3）返回值。
使继电器释放所需的最大输入量数值。
（4）返回系数。
指继电器输入量的返回值X2与动作值X1之比，用Kf表示，即
Kf＝X2／X1
图2-29 继电特性
返回系数是继电器的重要参数之一，一般对继电器来说，Kf＜1。Kf越接近于1，继电器动作越灵敏，但抗干扰能力就越差，所以返回系数也不完全是越高越好，对控制继电器来说，返回系数要求不高；对保护继电器来说，要求有较高的返回系数，一般要求0.85＜Kf＜1。
6.动作值的调整
继电器的动作值（或返回值）的调整，也称继电器参数的整定。对电磁继电器的整定，可通过改变反力弹簧和工作气隙来实现。对电子继电器来说，可通过改变比较环节的电位器的阻值等来实现。对时间继电器来说，动作时间和释放时间也应具有足够的调整范围。
7.电磁式继电器
电磁式继电器的测量机构是电磁铁，执行机构是触头。它具有工作可靠、结构简单、易于制造等优点，所以在轨道交通车辆上得到了广泛的应用。
电磁式继电器可分为电流继电器、电压继电器、中间继电器、时间继电器和信号继电器等。按照电流种类的不同，电磁式继电器还可以分为直流电磁继电器和交流电磁继电器。
（1）电流继电器。
电流继电器是指当继电器线圈流过的电流达到规定值时动作的继电器，其吸引线圈与电路串联，故线圈直径较粗，匝数较少，阻抗小，分压小，一般接在主回路中，起过载或短路保护的作用。
（2）电压继电器。
电压继电器是指当继电器线圈两端电压达到规定值时动作的继电器，其吸引线圈与电路并联，故线圈直径较细，匝数较多，主要作控制用。常用的有过电压继电器和欠电压继电器。对于过电压继电器，电压升至整定值或大于整定值时（一般为额定电压的105%～120%），继电器就动作，常开触点闭合，常闭触点断开；当电压降低到0.8倍整定值时，继电器就返回，常开触点断开，常闭触点闭合。对于低电压继电器，当电压降低到整定电压时（一般为额定电压的50%左右），继电器释放，常开触点断开，常闭触点闭合。
（3）中间继电器。
中间继电器是指用来增加控制电路数目或将信号放大的继电器，它实际上也属于电压继电器，但动作参数无须调整。
（4）时间继电器。
时间继电器是指从接收信号开始至触头动作（或使输出电路的电参数产生跳跃或改变）具有一定的延时，该延时又符合其准确度要求的继电器。
时间继电器种类繁多，按动作原理可分为电磁式时间继电器、空气阻尼式时间继电器和电子式时间继电器；按延时方式可分为通电延时型时间继电器和断电延时型时间继电器。
通电延时型时间继电器：线圈通电后，延时一定时间输出信号才发生变化，即延时一定时间后常开触头闭合，常闭触头断开；当输入信号消失后，输出信号瞬时复原。
断电延时型时间继电器：线圈通电后，瞬时产生相应的输出信号，即常开触头闭合，常闭触头断开；当输入信号消失后，延时一定时间输出信号才复原，即延时一定时间后常开触头断开，常闭触头闭合。
8.接地继电器
接地继电器的主要作用是用作主电路接地保护，其保护原理如图2-30所示。
图2-30 接地继电器的保护原理
（1）制动工况下的接地保护用接地继电器。
接地继电器其结构与过电流继电器基本相同。主回路构成交叉励磁独立回路，两组电机稳定地给电阻供电。电机发出的电能消耗在电阻上，以实现制动的目的。当主回路无接地故障时，接地继电器中无电流，继电器处于无电释放状态。当机车主电路某处发生接地故障时，接地点将于接地继电器的地端构成回路，接地继电器中有电流流过。当接地继电器线圈电流达到0.2～0.3A时，在电磁力的作用下，衔铁被吸合，主触头进行分合转换，开闭有关控制电路，使主断路器分断，切断机车总电源，从而达到保护目的。与此同时，联锁触头相应闭合，在司机台显示故障信号。
（2）牵引工况下的接地保护用差动继电器。
牵引电动机串联牵引工况下的接地保护一般使用的是差动继电器。差动继电器属于拍合式电磁机构，它有两组线圈，是利用两组电流线圈的电流差而工作的，如图2-31所示。正常工作时，两组电流线圈产生等值反向的电磁吸力，互相抵消，差动继电器不动作；牵引工况中，当主电路出现接地故障时，有接地电流产生（I地），I1＝I2＋I地使得两组电流线圈产生的电磁吸力不等，电磁吸力克服反力弹簧的弹力，衔铁吸合，带动触头动作，切断主回路，达到保护主电路的目的。
图2-31 差动继电器工作原理图
9.机械式继电器
在电力机车上，除较多使用电磁式继电器以外，还使用机械式继电器。机械式继电器主要有风道（风速）继电器、风压继电器、油流继电器等，以下分别做简单介绍。
（1）风道（风速）继电器。
风道继电器安装在硅整流装置柜、制动电阻柜及牵引电机通风系统的风道里，用来反映通风系统的工作状态是否正常，以确保通风系统有足够的风量，保护发热设备。
（2）风压继电器。
风压继电器的作用是作为电力机车电阻制动和空气制动间的安全联锁，在电阻制动时，电制动力并非恒定，需加一点空气制动来限速。但空气制动力不能太强，以免车轮被抱死，造成滑行而擦伤车轮。
（3）油流继电器。
油流继电器是电力机车牵引变压器的附件，用来监视变压器循环系统的工作情况，当油流停止或不正常时，给司机发出警告信号。在牵引主变压器两端的循环油管内，各设置有一个油流继电器。
10.电子式时间继电器
我国地铁车辆上采用由单片机控制的电子式时间继电器，它由集成电路或晶体管和电子元器件等构成，又称半导体时间继电器。它用微型大功率密封中间继电器作为执行元件，集成电路或晶体管和电子元器件封装于一个金属盒内，具有延时范围广、精度高、体积小、耐冲击和振动、调节方便及使用寿命长等优点。电子式时间继电器主要是利用电容的充、放电特性，通过调节电阻R和电容C来改变充、放电时间常数的大小，进而调节延时时间的长短，实现延时功能。电子式时间继电器的输出形式有触点式和无触点式两种。
任务三 主型电器的认识
（一）受电弓
受电弓通过绝缘子安装在电动车辆的车顶上，当受电弓升起时，通过碳滑板与架空导线接触，将直流电通过车顶母线传送到电动车辆内，以供车辆用电。车辆运行时，碳滑板沿架空导线滑动并保持良好的接触。受电弓的升与降是司机通过操作受电弓控制开关控制的。受电弓一般设有机械止挡，以限制受电弓在无接触网区段上的垂直运动。
1.受流器与受电弓
电力机车、电动车辆从接触网接触导线或导电轨受取电流的装置统称为受流器。它是电力机车或电动车辆与固定供电装置之间的连接环节，受流器性能的优劣直接影响所取电流的可靠性，也直接影响电力机车或电动车辆的工作状态。随着机车运行速度的不断提高，对受流器性能的要求也越高。我国城市轨道交通车辆大多采用受电弓和集电靴两种受流方式。当电压为DC1500V时多采用架空接触网供电方式，由受电弓受流。当电压为DC750V时，一般采用第三轨供电，由集电靴受流。
受电弓是受流器中的一种，属于上部受流，与其他受流器相比，具有较好的受流质量。
2.受电弓的分类
受电弓按其结构形式分为单臂型、双臂型两种形式，其外形如图2-32所示；从驱动形式上又分为气动型和电动型，即依靠压缩空气驱动和依靠电机驱动两种。城市轨道交通车辆一般使用的是压缩空气驱动的单臂受电弓。
图2-32 受电弓结构
（a）双臂受电弓；（b）单臂受电弓
双臂受电弓结构对称、侧向稳定性好，但结构复杂，调整复杂。单臂受电弓结构简单，尺寸小，重量轻，调整容易，具有良好的动态特性，因而广泛用于现代高速、大负荷的干线电力机车及电动车辆上。
城市轨道交通车辆一般使用的是压缩空气驱动的单臂受电弓。受电弓通过绝缘子安装在电动车辆的车顶上，当受电弓升起时，通过碳滑板与架空导线接触，将直流电通过车顶母线传送到电动车辆内，以供车辆使用。车辆运行时，碳滑板沿架空导线滑动并保持良好的接触。为保证滑板和接触导线接触可靠，其间应有一定的接触压力。滑板和接触导线分别属于两个弹性系统——受电弓系统与接触网系统，两个弹性系统相互接触提供了滑板和接触导线之间的接触力。受电弓的升降是司机通过操作受电弓控制开关进行控制的。受电弓一般设有止挡，以限制受电弓在无接触网区段上的垂直运动。
3.对受电弓的性能要求
受电弓是通过与固定导线的滑动接触而受流的，滑板的质量是影响受流质量的关键因素之一，优质滑板应满足以下要求：
受电弓升降弓时应不产生过分冲击，为此要求升降弓过程有先快后慢的特点，即升弓时滑板离开底架要快，贴近接触导线要慢，以防弹跳；降弓时滑板脱离接触导线要快，接近底架时要慢，以防拉弧及对底架有过分的机械冲击。
运行中要求受电弓动作轻巧、平稳、动态稳定性好。为改善受电弓的动态特性，达到良好的跟随性，减少离线和拉弧，现在很多国家都在试验开发主动控制受电弓。所谓的主动控制受电弓就是在单臂受电弓模型的滑板下加装力传感器、加速度传感器和一个响应接触线高度变化和振动的执行器，底座上安装一个用于升降弓以及适应进出站线及隧道等接触线高度变化的执行器，将测得的弓网间的接触力反馈回控制系统去驱动执行机构以调节接触压力，加速度传感器作为校正。
4.单臂受电弓简介
国产电力机车上广泛采用弹簧式和气囊式两种类型的单臂受电弓。目前，电力机车上采用有各种型号的单臂受电弓，一类属于弹簧式的，如SS1型、SS3B型电力机车采用的TSG1-600／25型，SS4改型电力机车采用的TSG1-630／25型和LV260-2型、SS6型、SS8型电力机车采用的TSG3-630／25型等；另一类属于气囊式的，如SS7F／SS9型电力机车上采用的DSA200型单臂受电弓。
（二）单臂受电弓的结构
1.压缩空气驱动的单臂受电弓
压缩空气驱动的单臂受电弓的结构如图2-33所示，它主要由底架、框架部分、滑板机构、传动气缸等组成。底架通过4个支持绝缘子安装在车顶上。
（1）底架：底架由方形管或型钢焊接而成，用于支撑整个框架。底架装有两组升弓弹簧，一端与梁相接，另一端与下臂杆相连。底架上还装有铜接线排与连接列车主电源的电缆。底架是整个受电弓受流运动部件的安装基座，应具有足够的机械强度并能耐受一定电压的电气性能。
（2）支持绝缘子：支持绝缘子安装在底架上，一方面用于支撑底架，另一方面可将车体与受电弓进行电气隔离。所以绝缘子要求具有良好的电气绝缘性和力学性能，一般由瓷和玻璃纤维聚酯压制而成或由瓷和绝缘塑料压制而成。
（3）下部框架：下部框架由下臂杆、推杆等组成。下臂杆由钢管制成，用于支撑受电弓上部框架和滑板机构，传递升降弓力矩，其长度决定了受电弓的工作高度。下臂杆、推杆一端通过活动接头与上部框架相连，另一端固定在底架上，其作用是：当下臂杆转动时使滑板上升或下降，并保持其运动轨迹基本为一铅垂线。
图2-33 单臂受电弓的结构
（4）上部框架：上部框架用于支撑滑板机构，传递向上作用力，保证受电弓工作高度。上部框架由上部支撑架和上部杆组成，其作用是使滑板在整个运动高度保持水平状态。上部支撑架包括铰链及斜支撑杆，通过斜支撑杆的作用，上部支撑架可具有很高的侧向稳定性。上部导向杆上安装了滑板，其长度可改变。
（5）滑板机构：滑板机构是受电弓与架空导线接触受流的部分。它主要由滑板、转轴、弹簧盒、弓角等组成。滑板是通过支架装在上部框架上的。由轻金属制成的弓角可以防止在接触网分叉处架空导线进入滑板底下，避免刮弓事故的发生。弹簧盒中装有螺旋压缩弹簧，其作用是保证弓头的垂向自由度，改善受流特性。
由于滑板是直接与架空导线接触受流的部件，所以它是受电弓故障率较高的部件之一，常见的故障是磨损到限位和拉槽。采用碳质接触板，可减少接触导线的磨损，但导电性能较差，且接触板的磨损会较大；采用粉末冶金接触板，可改善导电性能，延长接触板的使用寿命。滑板的直线长度为1200mm且两端处制成弯角形，这是为了防止在接触网分叉处接触网导线进入滑板底而造成刮弓事故。为使接触板磨耗均匀，接触网导线与轨距中心线成“之”字形布置。
（6）传动气缸：传动气缸安装在受电弓底架上，由电磁阀控制。传动气缸通过活塞杆带动与下臂杆连接的转轴来使受电弓动作。升弓和落弓速度可通过节流阀来控制。在正常情况下，受电弓由电磁阀控制，由主风缸内的压缩空气驱动升起。若主风缸内没有可用的压缩空气，或当车辆不具备压缩空气时，可用脚踏泵。
2.受电弓的工作原理
（1）升弓过程。
升弓时，压缩空气经过节流阀进入传动气缸后，气缸活塞克服气缸内复位弹簧的压力向左移动，通过下部导向杆使下部撑杆以顺时针方向向上运动。由于升弓弹簧的作用，下部撑杆做顺时针转动。同时，在上部导向杆的作用下，上部撑杆逆时针转动而升起。
受电弓升起后，集电头与接触网导线接触，接触网上的电流通过集电头、上部撑杆、下部撑杆被引到底部架框，然后由安装在底部框架上的列车电源电缆引入电动车辆内。
由于在受电状态下，电流会流经整个受电弓框架，为了防止电流流入轴承，在受电弓所有的铰链处都装有软编织导线，以避免轴承损坏。
（2）降弓过程。
降弓时，压缩空气从传动气缸经节流阀排出，气缸内复位弹簧伸张将活塞推向右方，带动下部导向杆向右移动，使下部撑杆作逆时针方向转动而迫使上部撑杆落下。
对受电弓的基本要求是：升弓时，对接触网无有害冲击；降弓时，对受电弓底架无有害冲击。这些要求均由传动装置来保证。传动装置还应使受电弓在升、降过程开始时动作迅速，升降快到位时动作比较缓慢。降弓开始时动作迅速，可使受电弓很快断弧；运动快结束时动作缓慢，可防止对受电弓底架有过大的机械冲击。升弓时，运动快结束时动作缓慢，可防止受电弓对接触网的冲击。
（三）集电靴
1.集电靴
集电靴受流装置主要应用于第三轨供电方式的线路，集电靴又名受流器、三轨受流器，集电靴安装在列车转向架构架两侧靠车辆外侧中部的位置。为列车从刚性供电轨（第三轨）进行动态取流（采集电流），满足列车电力需求的一套动态受流设备。通过对城轨列车的运行姿态、钢铝复合供电轨排布方式与特点、动态受流的技术要求、电气绝缘要求、动态受流的摩擦副匹配要求等系统性的研究，科学合理地选取摆动杆件的运动范围、受流摩擦副的接触正压力、受流滑靴的材料，科学合理地设计受流组件的结构以及绝缘结构，满足列车动态受流的工况要求，减少集电靴的维护需求，实现列车的动态稳定与可靠受流，为列车的稳定运行提供电源保障。它在使用时放下，不用时收起，犹如飞机起落架。所有动车转向架构架均装有两套受流器，而拖车仅一台转向架装有两套受流器。每个受流器的安装托架用四个螺栓固定在转向架构架的侧梁下面。集电靴取电如图2-34所示。
2.接触轨
接触轨是沿轨道线路敷设的与轨道平行的附加导电轨，所以又称第三轨。第三轨一般安装在线路行车方向的左侧。接触轨材料一般采用低碳钢或钢铝复合材料。
图2-34 集电靴取电
3.受流方式
电动客车转向架构架伸出的集电靴通过与第三轨接触而获取电能。根据集电靴受流位置的不同，可分为上部受流、下部受流、侧部受流三种形式。
任务四 互感器与传感器的认识
（一）互感器
1.概述
在电力系统中，高电压和大电流是不能直接测量的，一般只能借助于电压互感器或电流互感器，把高电压、大电流变换成低电压、小电流，再供给测量仪表及继电器的线圈使用。这样，就可以使测量仪表与高压电路绝缘，保证工作人员的人身安全，扩大仪表量程。从结构和原理上讲，互感器是一种特殊变压器，电压互感器和电流互感器都是根据变压器的原理制成的，如图2-35所示。电流互感器匝数少的原绕组与待测电路串联，匝数多的二次绕组与电流表相连；电压互感器匝数很多的原绕组与待测电路并联，匝数少的二次绕组并联仪表、继电器的电压线圈。当铁芯未饱和时，互感器的电流比和电压比可以用式（2-2）、式（2-3）来计算：
图2-35 互感器作用原理示意图
由此可见，我们只需要一只考虑放大KI或KU倍值刻度的电流表或电压表同一个专用的电流互感器或电压互感器配套使用，即可直接读出大电流或高电压值，即
互感器虽与变压器相似，但从两者的用途来看，变压器除了用来变压和有时变相外，主要用于传输电能，而互感器则是把原边电路的电压、电流准确地反映给副边电路。
互感器的主要功能是安全绝缘。采用互感器作为一次侧电路和二次侧电路之间的中间元件，既可以避免一次侧的高电压、大电流直接引入仪表、继电保护设备等二次设备，又可以避免二次电路的故障影响到一次侧电路，提高了一次、二次电路的可靠性和安全性，保障设备及人身安全。另外，使用互感器还可以扩大仪表和继电器的使用范围。
2.电流互感器简介
结构与特点：电流互感器的作用是将大电流变换成小电流，供给测量仪表及继电器的线圈使用。其一次侧绕组（原边绕组）的匝数只有一匝或几匝，串联在被测电路中；二次侧绕组（副边绕组）的匝数较多，它与电流表、其他仪表或继电器的电流线圈相串联，形成一个闭合回路。电流互感器的原理结构如图2-36所示。
其主要特点如下：
（1）电流互感器的原绕组同主电路串联，通过原边的电流就是主电路的负载电流I1，与副边电流I2无关；而电力变压器的原边电流却是随副边电流的改变而改变的。
（2）由于串接在电流互感器副边的测量仪表或继电器电流线圈的阻抗都很小，所以，电流互感器的正常工作状态接近于短路状态，这也是同变压器不同的。
（3）电流互感器原边额定电流I1e与副边额定电流I2e（一般均为5A）之比称为互感器的额定电流比，即
式中：Ke——额定电流比，注明在铭牌上；
W1，W2——原、副边绕组匝数。
3.电压互感器简介
结构与特点：电压互感器是一种专门用作变换电压的特种变压器，是利用电磁感应原理工作的。电压互感器的主要作用是：给测量仪器、仪表或继电保护、控制装置提供信息；使测量、保护和控制装置与高电压相隔离。
电压互感器的原理结构如图2-37所示。电压互感器一次绕组的匝数很多，一次绕组并联在一次电路中；二次绕组的匝数很少，并联仪表、继电器的电压线圈。电压互感器相当于降压变压器。由于二次仪表、继电器的电压线圈阻抗很大，所以，电压互感器工作时二次回路接近于空载状态，二次绕组的电压一般为100V。
图2-36 电流互感器原理结构
图2-37 电压互感器原理结构
其主要特点如下：
（1）高压电压互感器一次侧绕组要与被测负荷并联，其二次侧所有测量仪表的电压线圈要与二次侧绕组并联。使用中，若不接仪表时，应使二次侧绕组处于开路状态，要绝对避免二次侧短路。因此，在电压互感器二次电路中接有保护用自动开关。
（2）电压互感器在使用中，二次侧绕组的一端和外壳要可靠接地，以防一次侧绕组放电或击穿时，高电压进入二次侧测量电路，危及仪表和人身安全。
（3）电压互感器原边额定电压U1与副边额定电压U2（一般均为100V）之比称为互感器的额定电压比，即
式中：KU——额定电压比，注明在铭牌上；
W1，W2——原、副边绕组匝数。
（二）传感器
1.传感器
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，它是实现自动检测和自动控制的首要环节，它获取的信息可以为各种物理量、化学量和生物量，转换后的信息也可以有多种形式。目前的传感器大多为电信号，因此，从狭义上讲，传感器也可定义为把外界的输入信号转换成电信号的装置。传感器作为测量元件在城市轨道交通车辆上得到了广泛的应用。例如，进行电流过载检测；在电机控制驱动中，作为电流反馈元件，构成电流反馈回路；进行速度检测、压力检测以及温度测量等。总之，传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程，甚至文物保护等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。
国家标准对传感器下的定义是：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置。它感受的被测量可以是物理量、化学量和生物量等非电信号，转换后的信息输出量多为处理、转换、计量较为容易的电信号，如电压、电流和频率等。
2.传感器的组成
传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路和辅助电源四个部分组成，如图2-38所示为其原理框图。
图2-38 传感器的原理框图
敏感元件是传感器中直接感受被测量的元件，即被测量通过传感器的敏感元件转换成一个与之有确定关系的且易于转换的非电量，这一非电量通过转换元件转换成电参量。比如，电阻应变式传感器的作用是将应变片所感受到的机械变形量转换成电阻的变化量输出，再由转换电路转换成电压信号，根据输出电压信号的大小来测量机械变形量。
传感器中的转换元件是将敏感元件输出的中间非电量转换成电参量输出。例如，电容式位移传感器，将输入的位移量转换成电容量输出，电容器即是转换元件。
转换电路的作用是将转换元件输出的电参量转换成易于处理的电信号，如电压、电流和频率等。电桥电路是应用较多的转换电路，它可以把电阻、电感、电容等电参量转换成电压信号输出，经过放大后即可推动记录、显示仪表工作。
辅助电源的功能是给转换元件和转换电路提供电能。有些传感器上没有辅助电源，它应用于需要电源才能工作的转换元件和转换电路。
图2-39 温度传感器外形
3.温度传感器简介
温度传感器是指能够把温度量转换成电阻或电势的传感器，最常用的是热电阻传感器、热电偶和一体化温度传感器，其外形如图2-39所示。热电阻传感器是利用导体的电阻随温度变化的特性，对温度和与温度有关的参数进行检测的装置。热电偶是一种感温元件，是一种仪表。它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。一体化温度变送器一般由测温探头（热电偶或热电阻传感器）和两线制固体电子单元组成。采用固体模块形式将测温探头直接安装在接线盒内，从而形成一体化的传感器。一体化温度传感器一般分为热电阻和热电偶两种类型。温度传感器在许多领域都得到了广泛的应用。
（1）热电阻传感器。
热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来测量温度及与温度有关的参数。在温度检测精度要求比较高的场合，这种传感器比较适用。大多数热电阻在温度升高1℃时电阻值将增加0.4%～0.6%。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用较为广泛的热电阻材料为铂、铜、镍等，它们具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。用于测量-200～＋500℃范围内的温度。
热电阻传感器中的热电阻大都采用纯金属材料铂、铜、镍等制成，通常将铂、铜、镍丝绕在陶瓷或云母基板上，或是采用电镀的方法，将某种金属涂敷在陶瓷材料基板上形成薄膜。其电阻率随温度的升高而增大，致使电阻值随温度升高而增大。温度降低时，电阻值减小，从而达到测温的目的。其外形结构如图2-40所示。
图2-40 热电阻传感器外形结构
热电阻传感器的主要优点：
①测量精度高；热电阻传感器之所以有较高的测量精度，主要是一些材料的电阻温度特性稳定，复现性好。此外，与热电偶相比，它没有参比端误差问题。
②有较大的测量范围，尤其在低温方面。
③易于使用在自动测量和远距离测量中。
（2）热电偶传感器。
热电偶是温度测量仪表中常用的测温元件，热电偶测温的基本原理是两种不同成分的材质导体两端接合成回路时，当两接合点热电偶温度不同时，就会在回路内产生热电流。此时两端之间就存在电动势——热电动势，两种不同成分的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。如果热电偶的工作端与自由端存有温差时，显示仪表将会指示出热电偶产生的热电势所对应的温度值。热电偶的电动势将随着测量端温度升高而增长，它的大小只与热电偶材料和两端的温度有关，与热电极的长度、直径无关。各种热电偶的外形不相同，但是它们的基本结构大致相同，通常由热电极、绝缘套保护管和接线盒等主要部分组成，通常和显示仪表、记录仪表、电子调节器配套使用。其工作原理与结构如图2-41和图2-42所示。
图2-41 热电偶原理示意图
图2-42 热电偶原理结构图
4.磁电式速度传感器
磁电式传感器是利用电磁感应原理将被测量转换成电信号的一种传感器，可用于检测速度。它不需要辅助电源，只需对传感器的输出脉冲信号进行计数，即可实现转速的测量。磁电式转速传感器是以电磁感应为基本原理来实现转速测量的，属于非接触式转速测量仪表。磁电式转速传感器是由铁芯、磁钢、感应线圈等部件组成的，测量对象转动时，转速传感器的线圈会产生磁力线，齿轮转动会切割磁力线，磁路由于磁阻变化，在感应线圈内产生电动势。磁电式转速传感器的感应电势产生的电压大小，和被测对象转速有关，被测物体的转速越快输出的电压也就越大，也就是说输出电压和转速成正比。但是在被测物体的转速超过磁电式转速传感器的测量范围时，磁路损耗会过大，使得输出电势饱和甚至锐减。
在城市轨道交通车辆上，每个牵引电动机带一个速度传感器，安装在牵引电动机轴端，以供控制系统进行信号的选取、传输和转换，其原理如图2-43所示，是一种非接触式传感器。磁电式传感器的外壳、永久磁铁和感应线圈固定不动，齿轮则安装在车轴端部随车轴一起转动，传感器安装于轴箱盖上。当车轮转动时，齿轮随着一起旋转，齿顶和齿谷交替通过传感器，切割磁力线，即在传感器的输出线圈上感应出相应的电信号脉冲，且产生电信号脉冲的频率与车辆运行的速度成正比。
另外，当齿轮与软铁磁轭之间的气隙距离因转动而变化时，气隙磁阻和穿过气隙的主磁通变化，在线圈中有感应电动势产生。其频率是
式中：f——频率，Hz；
n——转速，r／min；
N——齿数。
图2-43 速度传感器原理图
脉冲信号经整形和放大后输出整齐的矩形波信号，经过定时计数器，把频率转换成转速。这种传感器结构简单，工作可靠。在编组车辆的控制车上每根轴装有一只单通道式传感器，为空气制动的滑动保护系统提供速度信号。在动车上，每根轴装有一只双通道式传感器，分别为牵引与控制系统的空转与滑动保护系统及空气制动的滑动保护系统提供速度信号。
磁电式转速传感器的工作方式决定了它有很强的抗干扰性，能够在烟雾、油气、水汽等环境中工作。磁电式转速传感器输出的信号强，测量范围广，齿轮、曲轴、轮辐等部件及表面有缝隙的转动体都可测量。
磁电式转速传感器的工作维护成本较低，运行过程无须供电，完全是靠磁电感应来实现测量，同时磁电式转速传感器的运转也不需要机械动作，无须润滑。磁电式转速传感器的结构紧凑、体积小巧、安装使用方便，可以和各种二次仪表搭配使用。
5.霍尔传感器
霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种，它利用霍尔效应来实现磁—电的转换，用磁场作为被检测信息的载体，通过被测磁场，将许多非电、非磁的物理量如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角速度、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。霍尔传感器具有对磁场敏感、结构简单、体积小、无触点、频率响应宽、可靠性高、易于微型化、集成电路化、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。
（1）霍尔效应。
在金属或半导体薄片两端通以控制电流I，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为UH的霍尔电压，这种物理现象称为霍尔效应，所产生的电动势称为霍尔电动势，这种金属或半导体薄片称为霍尔元件。
（2）工作原理。
霍尔元件的工作原理如图2-44所示。霍尔元件是一个金属或半导体薄片，若在其相对两侧通以控制电流I，而在薄片垂直方向加以磁场，则在半导体另外两侧便会产生一个大小与电流和磁感应强度B的乘积成正比的电压，即
式中：UH——霍尔电压；
RH——霍尔系数；
d——霍尔元件厚度；
KH——霍尔元件的灵敏度。
KH与霍尔系数和霍尔元件的尺寸有关。
一般霍尔元件均有4根引线，其中两根为外加电压输入，提供电流，另两根引线输出霍尔电动势UH。当控制电流恒定时，输出霍尔电动势UH与磁场有良好的线性关系。
（3）基本结构。
霍尔元件由霍尔片、4根引线和壳体组成，其外形结构如图2-45所示。霍尔片是一块矩形金属或半导体单晶薄片，在它的长度方向两端面上焊有两根引线（1和1′），用来加激励电压或控制电流，称为激励电极；另两侧端面的中点对称焊有两根引线（2和2′），为霍尔引出线，称为霍尔电极。霍尔元件的壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。
图2-44 霍尔元件的工作原理
图2-45 霍尔元件的外形结构
霍尔元件常采用锗、硅、砷化镓、砷化铟及锑化铟等半导体制作。用锑化铟半导体制成的霍尔元件灵敏度最高，但受温度的影响较大。用锗半导体制成的霍尔元件，虽然灵敏度较低，但它的温度特性及线性度较好。目前使用锑化铟霍尔元件的场合较多。
霍尔元件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHz），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。
任务五 其他电器的认识
低压断路器又称自动空气开关，是一种应用极其广泛的保护电器，广泛应用于供电支路的过载、过流和短路保护。高压断路器，在城市轨道交通行业中习惯称为主断路器。高压断路器连接于受电弓及变压器原边绕组之间，安装在机车车顶中部，它是电力机车电源的总开关和总保护。
（一）低压断路器
断路器是指能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流，并能关合、在规定的时间内承载和开断异常回路条件（包括短路条件）下的电流的开关装置。断路器可用来分配电能，不频繁地启动异步电机，对电源线路及电机等实行保护，当它们发生严重的过载或者短路及欠压等故障时能自动切断电路，其功能相当于熔断器式开关与欠热继电器等的组合。而且在分断故障电流后一般不需要变更零部件。目前，已获得了广泛的应用。
1.自动空气开关的定义和特点
低压断路器也称为自动空气断路器或自动开关，是一种结构较为复杂，动作性能较为完善的配电保护电器。可用来接通和分断负载电路，也可用来控制不频繁起动的电机。它功能相当于闸刀开关、过电流继电器、失压继电器、热继电器及漏电保护器等电器部分或全部的功能总和，是低压配电网中一种重要的保护电器。
与其他开关电器相比较，自动开关具有以下特点：
（1）能开断较大的短路电流，分断能力较强；
（2）具有对电路过载、短路的双重保护功能；
（3）允许操作频率低；
（4）动作值可调，动作后一般不需要更换零部件。
图2-46 自动开关的外形
2.自动开关的基本结构
自动开关的外形如图2-46所示，根据各类自动开关的共同功能，它们在结构上主要由触头系统、灭弧系统、操作机构、自由脱扣机构和各种脱扣器组成。
（1）触头系统。
触头系统是自动开关的执行元件，主要承担电路的接通、分断任务。对触头系统的一般要求是：能可靠接通和分断一定次数的极限短路电流及额定电流以下的任何电流；具有一定的电寿命，不需要经常更换触头；有足够的热稳定性和电动稳定性，不会因长期使用后触头接触不良导致温升过高，或不能经受极限短路电流的冲击而自动弹开。
（2）灭弧系统。
灭弧装置的功能是在开关分断电路的过程中保护断路器的触头，以减少触头的磨损。主要有纵窄缝灭弧装置和去离子栅灭弧装置两种。
（3）操作机构。
用于操纵触头的闭合和断开。传动机构有手操纵直接传动式、手操纵弹簧传动式、电磁铁传动、电动机传动、压缩空气传动等几种。
（4）自由脱扣机构。
它是与触头系统和保护装置相联系的，通过自由脱扣机构的作用可使触头自动断开。“自由脱扣”是指人为操纵手柄处于闭合位置，当手还未离开手柄就发生短路、过载和欠电压等故障时，保护装置作用于自由脱扣机构，自动开关也能自动断开，起保护作用。
（5）脱扣器。
脱扣器是断路器的感测元件，当脱扣器感测到电路的故障信号后，作用于操作机构，使其脱扣，带动自动开关的触头断开。
自动开关通常采用电磁脱扣器和热脱扣器两种。
电磁脱扣器分为过电流脱扣器和欠电压脱扣器，它们实际上是一个小型电磁机构：装电压线圈的为欠电压脱扣器，装电流线圈的为过电流脱扣器。
现以过电流脱扣器为例说明其动作原理。当被保护电路发生过载或短路故障，电流增加并达到整定值时，衔铁吸合，使脱扣杆钩子与主杠杆脱扣，自动开关断开，切除过载或短路故障，保护电气设备不受损坏。电磁脱扣器的动作电流值可根据需要调整反力弹簧来整定，它具有动作电流大，调节范围宽，动作时间短（一般为10～40ms）的特点，可用作短路保护。
热脱扣器由热组件和双金属片等组成。电流通过热组件产生电阻损耗而发热，其温度升高，加热双金属片。双金属片是一个将热能转换为机械能的组件，如图2-47所示。它由两种不同膨胀系数的金属片焊接而成，其中，膨胀系数较大的金属片贴近热元件。双金属片一端固定，另一端处于自由状态。当热组件间接加热或直接通电流加热时，即将热能传递给双金属片，双金属片受热后温度升高。由于两种金属片膨胀系数不同，结合面的伸长要相同，迫使双金属片向着膨胀系数较小的一侧弯曲。双金属片弯曲时产生作用力，作用于扣板的钩子上，使之脱扣，自动开关断开，即可保护电气设备不因过载而损坏。由于双金属片是因受热而弯曲，所以双金属片弯曲时作用于脱扣机构的动作时间与过载电流大小有关：电流大，动作时间短；电流小，动作时间长，即动作时间与电流大小近似成反比。
图2-47 双金属片工作原理
3.自动开关的工作原理
自动开关的主触头靠操作机构（手动或电动）合闸，自由脱扣机构是一套连杆机构，当主触头闭合以后，将主触头锁在合闸位置，其工作原理如图2-48所示。在正常工作情况下，自由脱扣机构的锁钩扣住触头杆，使主触头保持在合闸位置。过电流脱扣器的电磁线圈与被保护电路串联，在正常电流下，脱扣器的弹簧力使衔铁释放；当过载或短路时，强大的电磁吸力使衔铁吸合，带动衔铁另一端的顶杆向上运动，顶开自由脱扣机构中的锁钩，在开断弹簧的作用下，主触头迅速开断，将故障电路分断。分励脱扣器通过按钮实现远距离分闸。正常工作时，分励脱扣器的线圈没有电流。当需要远距离操作时，按下按钮使线圈通电，电磁铁带动自由脱扣机构动作，使断路器跳闸，切断电路。热元件串接在电路中，和双金属片配合相当于一个无触点的热继电器，对电路实现过载保护。正常工作时，断路器保持合闸状态。当电路发生过载时，过载电流流过热元件，使双金属片弯曲，顶杆向上运动，顶开自由脱扣机构中的锁钩，在开断弹簧的作用下，主触头迅速开断，将故障电路分断。失压脱扣器的电磁线圈与被保护电路并联。在正常电压下，衔铁吸合，锁钩不脱扣；当失压时，电磁吸力很小，在欠压脱扣器弹簧力的作用下，衔铁释放，其顶杆顶开锁钩，主触头在开断弹簧的作用下迅速开断，切断电路。
图2-48 自动开关工作原理图
在电力机车上，为便于维修和检查故障，自动开关用于手动非频繁地切换正常电路，同时，也可对辅助电路和控制电路进行过载、短路保护。
（二）司机控制器
司机控制器是铁道内燃机车、动车组及工业自动化的控制设备，是一种典型的组合电器，它是一个操作单元，作为机车换向、调速的主令电器，属于凸轮触点式控制方式。它在电力机车中与机车牵引变流器连接，给变流器提供可识别的电机转向信号及转速信号。它是司机用来操纵机车运行的主令电器。司机控制器利用控制电路的低压电器来间接控制主电路的电气设备，其动作好坏直接影响到机车的平稳操纵以及各种工况的实现。
1.司机控制器结构
司机控制器是一个操作单元，包括传动和制动所需控制元件以及控制牵引车辆的辅助功能。这些元件向牵引电子设备或电动机械牵引控制提供控制指令。司机控制器安装在驾驶员工作台或侧控制台中。控制器以驾驶员垂手可及易于操作的方式确定断面形状和位置。根据操作需要和习惯，司机控制器有多种不同的形式，通常分为双控制手柄型和单控制手柄型。图2-49是司机控制器外形结构。图2-50是司机控制台外形结构。
图2-49 司机控制器外形结构
图2-50 北京地铁、长春轻轨司机控制台外形结构
司机控制器主要由控制手柄、方式／方向手柄、组合开关、凸轮、转动轴、电位器电阻等部件组成。图2-51是司机控制器面板部分截图。图2-52为地铁车辆用西门子A型司机控制器的结构。主控制手柄位于右侧，向前为牵引位，向后为制动位（包括紧急制动），正中为“0”位，主控制手柄的正上方装有警惕按钮。方式／方向手柄位于左侧。
图2-51 司机控制器面板部分截图
图2-52 西门子A型司机控制器的结构
为了防止可能产生的误动作，确保客车及运行安全，司机控制器的主控制手柄与方式／方向手柄之间设有机械联锁装置。
（1）司机控制器与司机钥匙开关之间相互联锁。保证司机钥匙未打开前，司机控制器处于锁定状态。而如果司机控制器处于工作状态时，司机钥匙是不能被拔出的。
（2）司机控制器的主控制手柄与方式／方向手柄之间互相联锁。司机控制器的主控制手柄处于牵引或制动位置时，方式／方向手柄无法改变状态，方式／方向手柄不工作时，司机控制器的主控制手柄被锁定，无法放在牵引或制动位置上。
2.司机控制器的原理
司机通过操纵司机控制器手柄，使列车按司机的意图运行。司机控制器控制主电路实际上是一组凸轮式的万能转换开关，通过搬动主轴和转换轴，控制凸轮及与组合开关相应的触点分合，然后通过控制电路控制列车的运行方向和速度，实现列车牵引、制动和随行工作状况的转换。
司机控制器有自动驾驶功能和人工驾驶功能。把司机控制器的主控手柄向前推，列车加速前进；把司机控制器的主控手柄向后拉，列车实施制动，当把司机控制器的主控手柄向后拉到极限位置时，列车实施快速制动；若把手柄拉回到“0”位，列车随行。当进行人工驾驶时，在推动主控手柄到牵引位置之前，警惕按钮必须按下。在牵引过程中松开警惕按钮，若时间超过3s，列车将触发紧急制动，若在3s内重新按下警惕按钮，列车不会触发紧急制动，保持原来的牵引状态。在自动驾驶模式下，警惕按钮不起作用。
（三）熔断器
1.熔断器的作用与分类
熔断器也被称为保险丝，是最早被采用的也是最简单的保护电器。它是利用金属导体作为熔体串联于电路中，当过载或短路电流通过熔体时，因其自身发热而熔断，从而分断电路的一种电器，主要进行短路保护或严重过载保护。熔断器具有结构简单、价格便宜、动作可靠、使用维护方便等优点，广泛用于电力系统、各种电工设备和家用电器中作为保护器件。熔断器的结构形式很多，分类方法也多种多样，根据不同特性，常用的有以下两种分类方法。
（1）根据结构形式可分为敞开式、半封闭式、管式和喷射式熔断器。
①敞开式熔断器结构简单，熔体完全暴露于空气中，由瓷柱作支撑，没有支座，熔体熔化时没有限制电弧火焰和金属熔化粒子喷出的装置，它往往与闸刀开关组合在一起使用，适于低压户外使用。分断电流时在大气中产生较大的声光。
②半封闭式熔断器的熔体装在瓷架上，插入两端带有金属插座的瓷盒中，管的一端或两端开启，用以限制电弧火焰和金属熔化粒子喷出，避免因飞弧而造成相间短路，适于低压户内使用。分断电流时，所产生的声光被瓷盒挡住。
③管式熔断器的熔体完全封闭在熔断管内，然后插在支座或直接连在电路上使用。熔断体是两端套有金属帽或带有触刀的完全密封的绝缘管。这种熔断器的绝缘管内若充以石英砂，则分断电流时具有限流作用，可大大提高分断能力，故又称作高分断能力熔断器。若管内抽真空，则称作真空熔断器。若管内充以SF6气体，则称作SF6熔断器，其目的是改善灭弧性能。由于石英砂、真空和SF6气体均具有较好的绝缘性能，故这种熔断器不但适用于低压也适用于高压。
④喷射式熔断器是将熔体装在由固体产气材料制成的绝缘管内。固体产气材料可采用电工反白纸板或有机玻璃材料等。当短路电流通过熔体时，熔体随即熔断产生电弧，高温电弧使固体产气材料迅速分解产生大量高压气体，从而将电离的气体带电弧在管子两端喷出，发出极大的声光，并在交流电流过零时熄灭电弧而分断电流。绝缘管通常是装在一个绝缘支架上，组成熔断器整体。有时绝缘管上端做成可活动式，在分断电流后随即脱开而跌落，此种喷射式熔断器俗称跌落熔断器。一般适用于电压高于6kV的户外场合。
（2）封闭式熔断器按外壳形式和有无填料分类。
①螺旋式熔断器：在熔断管中装有石英砂，熔体埋于其中，熔体熔断时，电弧喷向石英砂及其缝隙，可迅速降温而熄灭。为了便于监视，熔断器一端装有色点，不同的颜色表示不同的熔体电流，熔体熔断时，色点跳出，示意熔体已熔断。螺旋式熔断器额定电流为5～200A，主要用于短路电流大的分支电路或有易燃气体的场所。其外形及内部结构如图2-53和图2-54所示。
图2-53 螺旋式熔断器
图2-54 熔断器内部结构
②有填料管式熔断器：是一种有限流作用的熔断器。由填有石英砂的瓷熔管、触点和镀银铜栅状熔体组成。填料管式熔断器均装在特别的底座上，如带隔离刀闸的底座或以熔断器为隔离刀的底座上，通过手动机构操作。填料管式熔断器额定电流为50～1000A，主要用于短路电流大的电路或有易燃气体的场所。
③无填料管式熔断器：其熔丝管是由纤维物制成，使用的熔体为变截面的锌合金片。熔体熔断时，纤维熔管的部分纤维物因受热而分解，产生高压气体，使电弧很快熄灭。无填料管式熔断器具有结构简单、保护性能好、使用方便等特点，一般均与刀开关组成熔断器刀开关组合使用。
有填料封闭管式快速熔断器是一种快速动作型的熔断器，由熔断管、触点底座、动作指示器和熔体组成。熔体为银质窄截面或网状形式，熔体为一次性使用，不能自行更换。由于其具有快速动作性，一般作为半导体整流元件保护用。
图2-55所示为跌落式熔断器，安装在10kV配电线路分支线上，可缩小停电范围，因其有一个高压跌落式熔断器明显的断开点，具备了隔离开关的功能，给检修线路和设备创造了一个安全的作业环境，增加了检修人员的安全感。安装在配电变压器上，可以作为配电变压器的主保护，所以，在10kV配电线路和配电变压器中得到了普及。
图2-55 跌落式熔断器
熔丝管两端的动触头依靠熔丝（熔体）系紧，将上动触头推入“鸭嘴”凸出部分后，磷铜片等制成的上静触头顶着上动触头，故而熔丝管牢固地卡在“鸭嘴”里。当短路电流通过熔丝熔断时，产生电弧，熔丝管内衬的钢纸管在电弧作用下产生大量的气体，因熔丝管上端被封死，气体向下端喷出，吹灭电弧。由于熔丝熔断，熔丝管的上下动触头失去熔丝的系紧力，在熔丝管自身重力和上、下静触头弹簧片的作用下，熔丝管迅速跌落，使电路断开，切除故障段线路或者故障设备。
2.熔断器的结构原理
熔断器是一种简单而有效的保护电器。在电路中主要起短路保护作用。熔断器主要由熔体、外壳和支座3部分组成，其中熔体是控制熔断特性的关键元件。熔体的材料、尺寸和形状决定了熔断特性。熔体常做成丝状、栅状或片状。熔体材料具有相对熔点低、特性稳定、易于熔断的特点。一般采用铅锡合金、镀银铜片、锌、银等金属。熔体材料分为低熔点和高熔点两类。低熔点材料如铅和铅合金，其熔点低容易熔断，由于其电阻率较大，故制成熔体的截面尺寸较大，熔断时产生的金属蒸气较多，只适用于低分断能力的熔断器。高熔点材料如铜、银，其熔点高，不容易熔断，但由于其电阻率较低，可制成熔体的截面尺寸较小，熔断时产生的金属蒸气少，适用于高分断能力的熔断器。改变熔体截面的形状可显著改变熔断器的熔断特性。
使用时，熔体串接于被保护的电路中，当电路发生短路故障时，熔体被瞬时熔断而分断电路，起到保护作用。当电路发生故障或异常时，伴随着电流不断升高，并且升高的电流有可能损坏电路中的某些重要器件或贵重器件，也有可能烧毁电路甚至造成火灾。若电路中正确地安置了熔断器，那么，熔断器就会在电流异常升高到一定程度时，自身熔断切断电流，从而起到保护电路安全运行的作用。
熔断器熔断过程一般可分为四个阶段：
（1）通过故障电流而发热达到熔化温度的阶段。这个阶段所需的时间与通过熔体的故障电流有关，故障电流越大，这个时间就越短。
（2）熔体熔化和蒸发阶段。熔体达到熔化温度后便熔化，并蒸发为金属蒸气，这一过程所需的时间也与通过熔体的故障电流有关，故障电流越大，这个时间就越短。
（3）间隙击穿和电弧产生阶段。熔体熔化的最初瞬间，电路中出现了间隙，由于间隙中的金属蒸气未游离时是良好的绝缘体，这时电流会突然中断，但金属蒸气很快被游离而出现电弧，使电路重新接通，该时间很短。
（4）电弧燃烧和熄灭电弧阶段。电弧发生后，如能量较小，可以因熔断间隙的扩大而自行熄灭。如能量较大，必须依靠熔断器的灭弧措施。熄弧能力越强，电弧熄灭就越快，熔断器所能分断的短路电流值就越大。但熄灭电弧时不允许产生危害电气设备的过电压。
3.熔断器的主要特性——安秒特性
熔断器的动作是靠熔体的熔断来实现的，当电流较大时，熔体熔断所需的时间就较短。而电流较小时，熔体熔断所需用的时间就较长，甚至不会熔断。因此对熔体来说，其熔断电流和熔断时间的关系曲线叫作熔断器的安秒特性，又称保护特性。它是熔断器的主要技术参数之一，也是选用熔断器的重要依据之一。如图2-56所示，熔断器具有反时限特性。当过载电流小时，熔断时间长；过载电流大时，熔断时间短。因此，在一定过载电流范围内至电流恢复正常，熔断器不会熔断，可以继续使用。
图2-56 熔断器的安秒特性
当电流为IR时，熔断时间趋近于无穷大，与此对应的电流叫作最小熔化电流。即当通过熔体的电流为最小熔化电流时，熔体应能熔断；当通过熔体的电流小于最小熔化电流时，熔体就不会熔断。
根据对熔断器的要求，熔体在额定电流下绝不应熔断，所以，最小熔化电流必须大于被保护线路的额定电流，亦即熔断器的额定电流。每一熔体都有一最小熔化电流。相应于不同的温度，最小熔化电流也不同。虽然该电流受外界环境的影响，但在实际应用中可以不加考虑。一般定义熔体的最小熔断电流与熔体的额定电流之比为最小熔化系数，常用熔体的熔化系数一般为1.5～2。
从这里可以看出，熔断器只能起到短路保护作用，不能起过载保护作用。如确需在过载保护中使用，必须降低其使用的额定电流，如8A的熔体用于10A的电路中，作短路保护兼作过载保护用，但此时的过载保护特性并不理想。
为防止发生越级熔断、扩大事故范围，上、下级（即供电干、支线）线路的熔断器间应有良好配合。选用时，应使上级（供电干线）熔断器的熔体额定电流比下级（供电支线）的大1～2个级差。
4.熔断器的使用与维护
（1）熔断器使用注意事项：
①熔断器的保护特性应与被保护对象的过载特性相适应，考虑到可能出现的短路电流，选用相应分断能力的熔断器。
②熔断器的额定电压要适应线路电压等级，熔断器的额定电流要大于或等于熔体额定电流。
③线路中各级熔断器熔体额定电流要相应配合，保持前一级熔体额定电流必须大于下一级熔体额定电流。
④熔断器的熔体要按要求使用相配合的熔体，不允许随意加大熔体或用其他导体代替熔体。
（2）熔断器巡视检查：
①检查熔断器和熔体的额定值与被保护设备是否相配合。
②检查熔断器外观有无损伤、变形，瓷绝缘部分有无闪烁放电痕迹。
③检查熔断器各接触点是否完好，接触紧密，有无过热现象。
④熔断器的熔断信号指示器是否正常。
（3）熔断器使用维修：
1）熔体熔断时，要认真分析熔断的原因，可能的原因有：
①短路故障或过载运行而正常熔断。
②熔体使用时间过久，熔体受氧化或运行中温度高，使熔体特性变化而误断。
③熔体安装时有机械损伤，使其截面积变小而在运行中引起误断。
2）拆换熔体时，要求做到：
①安装新熔体前，要找出熔体熔断原因，未确定熔断原因，不要拆换熔体试送。
②更换新熔体时，要检查熔体的额定值是否与被保护设备相匹配。
③更换新熔体时，要检查熔断管内部烧伤情况，如有严重烧伤，应同时更换熔管。瓷熔管损坏时，不允许用其他材质管代替。填料式熔断器更换熔体时，要注意填充填料。
3）熔断器应与配电装置同时进行维修工作：
①清扫灰尘，检查接触点接触情况。
②检查熔断器外观（取下熔断器管）有无损伤、变形，瓷件有无放电闪烁痕迹。
③检查熔断器，熔体与被保护电路或设备是否匹配，如有问题应及时调查。
④注意检查在TN接地系统中的N线，设备的接地保护线上，不允许使用熔断器。
⑤维护检查熔断器时，要按安全规程要求，切断电源，不允许带电摘取熔断器管。
（四）主令电器
在自动控制系统中，主令电器是专门用来发出控制指令或信号，接通和断开控制电路，改变控制系统工作状态的电器。主令电器可以直接作用于控制线路，也可以通过电磁式电器的转换对电路实现控制。主令电器按其作用可分为按钮开关、万能转换开关和行程开关等。
1.按钮开关
（1）功能与分类。
按钮开关是一种结构简单、应用十分广泛的主令电器。在电气自动控制电路中，用于手动发出控制信号以控制接触器、继电器、电磁起动器等。
按钮开关的结构种类很多，可分为普通揿钮式、蘑菇头式、自锁式、自复位式、旋柄式、带指示灯式、带灯符号式及钥匙式等，有单钮、双钮、三钮及不同组合形式，一般是采用积木式结构，由按钮帽、复位弹簧、桥式触头和外壳等组成，通常做成复合式，有一对常闭触头和常开触头，有的产品可通过多个元件的串联增加触头对数。通常每一个按钮开关有两对触点。每对触点由一个常开触点和一个常闭触点组成。当按下按钮，两对触点同时动作，常闭触点断开，常开触点闭合。
在城市轨道交通车辆上设置的开关按钮有：开、关门按钮，发车按钮，停放制动按钮和紧急制动按钮即“警惕按钮”。“警惕按钮”形状呈蘑菇状，表面呈红色，安装在驾驶室里，当用力拍打此按钮时，它会自锁，使其触头保持断开状态，主要用来提醒司机，保持注意力。
（2）基本结构。
按钮开关的外形、基本结构、图形符号如图2-57所示。它一般由按钮帽、复位弹簧、动触头、静触头、外壳及接线柱等组成。
图2-57 按钮开关的外形、结构及图形符号
为了标明各个按钮的作用，避免误操作，通常将按钮帽做成不同的颜色，以示区别，其颜色有红、绿、黑、黄、蓝、白等。例如，红色表示停止按钮，绿色表示启动按钮等。国家标准中对按钮帽的颜色作了如下规定：
（1）“停止”和“急停”按钮必须是红色的。当按下红色按钮时，运行中的设备必须停止工作后断电。
（2）“启动”按钮必须是绿色的。
（3）“启动”和“停止”交替动作的按钮必须是黑色、白色或灰色的，不得使用红色或绿色。
（4）“点动”按钮必须是黑色的。
（5）“复位”按钮必须是蓝色的。当“复位”按钮还有停止的作用时，则必须是红色的。
2.万能转换开关
（1）功能与分类。
万能转换开关又称转换开关，是一种多挡位、多段式、控制多回路的主令电器，是由多组相同结构的触点组件叠装而成的多回路控制电器，因为其触头挡数多，换接电路多，故称为万能转换开关。万能转换开关具有体积小、功能多、结构紧凑、选材讲究、绝缘良好、转换操作灵活、安全可靠等优点。
（2）基本结构。
如图2-58所示为万能转换开关单层结构示意图。它由操作机构、定位装置、触点、接触系统、转轴、手柄等部件组成。触点是在绝缘基座内，为双断点触头桥式结构，动触点设计成自动调整式以保证通断时的同步性，静触点装在触点座内。使用时依靠凸轮和支架进行操作，控制触点的闭合和断开。
图2-58 万能转换开关单层结构示意图
万能转换开关主要适用于交流50Hz、额定工作电压380V及以下、直流电压220V及以下、额定电流至160A的电气线路中，万能转换主要用于各种控制线路的转换，电压表、电流表的换相测量控制，配电装置线路的转换和遥控等，万能转换开关还可以用于直接控制小容量电机的启动、调速和换向、故障隔离、电器联锁、电源控制等远距离控制。
轨道交通车辆中的故障转换开关、照明开关、头灯开关等也用万能转换开关。万能转换开关用手柄带动转轴和凸轮推动触头接通或断开。由于凸轮的形状不同，当手柄处在不同位置时，触头的分合情况不同，从而达到转换电路的目的。
常用产品有LW5和LW6系列。LW5系列可控制5.5kW及以下的小容量电机；LW6系列只能控制2.2kW及以下的小容量电机。
万能转换开关的手柄操作位置是以角度表示的。不同型号的万能转换开关的手柄有不同万能转换开关的触点，电路图中的图形符号如图2-59所示。但由于其触点的分合状态与操作手柄的位置有关，所以，除在电路图中画出触点图形符号外，还应画出操作手柄与触点分合状态的关系。图中当万能转换开关打向左45°时，触点1-2、3-4、5-6闭合，触点7-8打开；打向0°时，只有触点5-6闭合，其余打开；打向右45°时，只有触点7-8闭合，其余打开。
3.行程开关
（1）功能与分类。
行程开关又称位置开关或限位开关，是一种常用的小电流主令电器。利用生产机械运动部件的碰撞使其触头动作来实现接通或分断控制电路，达到一定的控制目的。通常这类开关被用来限制机械运动的位置或行程，使运动机械按一定位置或行程自动停止、反向运动、变速运动或自动往返运动等。在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换，因此，行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，它的作用原理与按钮类似。
在电气控制系统中，位置开关的作用是实现顺序控制、定位控制和位置状态的检测。用于控制机械设备的行程及限位保护。其外形结构及图形符号如图2-60所示。
图2-59 LW5万能转换开关的使用说明
图2-60 行程开关的外形结构及图形符号
（2）基本结构。
行程开关的基本结构由操作头、触点系统和外壳组成，其中操作头是开关的感测部分。行程开关可以安装在相对静止的物体（如固定架、门框等，简称静物）上或者运动的物体（如行车、门等，简称动物）上。当动物接近静物时，开关的连杆驱动开关的接点引起闭合的接点分断或者断开的接点闭合。由开关接点开、合状态的改变去控制电路和机构的动作。
行程开关按其结构可分为直动式、滚轮式、微动式和组合式。
直动式行程开关的结构原理如图2-61所示。其动作原理同按钮类似，所不同的是：一个是手动，另一个则由运动部件的撞块碰撞。当外界运动部件上的撞块碰压按钮时，其触头动作；当运动部件离开后，在弹簧作用下，其触头自动复位。
图2-61 直动式行程开关结构原理
滚轮式行程开关的结构原理如图2-62所示。滚轮式行程开关又分为单滚轮自动复位式和双滚轮（羊角式）非自动复位式，双滚轮行程开关具有两个稳态位置，有“记忆”作用，在某些情况下可以简化线路。
图2-62 滚轮式行程开关的结构原理
当运动机械的挡铁（撞块）压到行程开关的滚轮上时，行程开关的杠杆连同转轴、凸轮一同转动，使凸轮推动撞块，当撞块碰压到一定位置时，推动微动开关快速动作。使常闭触头断开，常开触头闭合；当滚轮上的挡铁移开后，复位弹簧就使行程开关各部分复位。这种是单轮自动恢复式行程开关。而双轮旋转式行程开关不能自动复原，它是依靠运动机械反向移动时，挡铁碰撞另一滚轮将其复原。
在城市轨道交通车辆中行程开关主要用于检测车门开关状态。车门进行开、关动作时，行程开关把机械动作传递给触头系统，触头系统再将机械信号转换为电信号，反映到车门的监视控制回路，以便司机随时了解车门的开、关状态。
（五）蓄电池
1.概念及分类
蓄电池是化学能与电能互相转换的装置，它能把电能转变为化学能储存起来，使用时再把化学能转变为电能，而且变换的过程是可逆的。以上两个过程前者叫作充电，后者叫作放电。
根据极板所用材料和电解液性质的不同，蓄电池一般可分为酸性（铅）蓄电池和碱性蓄电池两大类。碱性蓄电池按其极板活性物质的不同，又可分为铁镍蓄电池和镉镍蓄电池等系列。
轨道交通车辆通常使用镉镍碱性蓄电池组。韶山系列电力机车采用的GN-100型镉镍碱性蓄电池组，由74个蓄电池串联而成，每个蓄电池的标称电压为1.25V，容量为100A·h，蓄电池组的标称电压为92.5V；地铁列车上的主蓄电池是由DC110V镉镍可充电电池单体相互串联组成，一般有80只或84只单体组成一组电池组。每列车通常有两组或四组蓄电池组。每个电池组以浮充电的模式与逆变器充电器连接，装在蓄电池箱内，并保持良好的通风状态。
2.作用
电力机车的蓄电池组与可控硅稳压电源并联，是电力机车上直流控制电源的辅助电源，并兼作可控硅稳压电源的滤波元件。在升弓前及可控硅稳压电源发生故障时，由蓄电池组向机车控制电路供电；可控硅稳压电源正常工作时，蓄电池处于浮充电（列车使用情况下，保持恒压但不限制电流充电）工作状态。地铁列车蓄电池主要供列车起动使用，同时在辅助逆变器不工作的时候，为列车紧急照明、通风、控制系统、通信及信号系统提供电源，所以蓄电池是列车上的重要电气元件，在紧急运行模式下，为列车提供必要的电源。
3.镉镍碱性蓄电池的优点与特性
镉镍碱性蓄电池具有环保、使用寿命长达10～20年、充放电次数高达数千次、抗冲击和振动、自放电小、适应温度范围广（可在-20～40℃环境温度下工作）、低温性能好（极限温度-50～55℃）、耐过充能力强、安装成本低等优点，因此在列车上通常使用镉镍碱性蓄电池作为起动电源。
镉镍碱性蓄电池的特性：
（1）自放电。蓄电池充电后，内部会发生极其缓慢的化学反应，使蓄电池慢慢失效。碱液成分、储存的环境温度都会对蓄电池的自放电产生影响。
（2）使用寿命。放电深度、环境温度、放电倍率等放电条件对蓄电池的使用寿命会有很大影响，尤其是放电深度。达到使用寿命，蓄电池会失效。
（3）记忆效应。蓄电池长期进行浅充浅放，会产生明显的充电、放电失效现象。这种情况，蓄电池的性能可以恢复。
4.蓄电池的结构
图2-63是GN-100型镉镍碱性蓄电池结构，蓄电池主要由两种不同金属组成的正负极板、电解液以及容纳极板和电解液的电槽组成。
图2-63 GN-100型镉镍碱性蓄电池结构
正、负极板用穿孔钢带制成的匣子分别装入正、负活性物质（氧化镍、镉铁合金等）构成，带上的小孔用于排出充电时所形成的气体，便于电解液的流通。正、负极板分别焊在各自带有接线柱的汇流排上，组成极板组。安装时将正、负极板交错排列，并采用硬橡胶棍隔离，再通过各自的引线端柱紧固于槽盖上。正极板与电槽直接相连，负极板与电槽绝缘，故负极板比正极板略窄，以防负极板与电槽相连，形成正、负极板间短路。由于正极板活性物质单位重量的电容量少于负极板的活性物质，故在镉镍蓄电池中，正极板比负极板多1片，即6片正极板，5片负极板。
电槽用镀镍钢板制成。由于碱性电池的电槽本身也是1个电极，所以必须注意各电池之间以及电池与地之间的绝缘，以防短路。槽盖上有3个小孔，左、右两孔用于引出正、负极性，并在正极柱旁注明有“＋”号标志；中间1个为注液孔，孔内装有带开关作用的气塞。气塞有三个作用：一是可防止外部空气中二氧化碳侵入后产生碳酸盐，降低电池容量；二是可防止蓄电池短时翻转时电解液外流；三是能使电池内部的气体增加到一定量时通过气塞排出，以免电池中气压过高。
电池内部的电解液，起到离子导电的作用，使蓄电池内部形成通路。电解液根据使用蓄电池的环境温度配制，使用合理，可以延长蓄电池的寿命，保证其额定容量。机车在运行一段时间以后，当蓄电池电压低于终止电压（一般规定终止电压为1.1V）时，蓄电池不适宜继续放电，应及时充电，并须补充蒸馏水或电解液。蓄电池以恒定的电流充电时，其充电制有初充电制、标准充电制和快速充电制三种。对GN-100型镉镍碱性蓄电池，不同充电制时的充电电流和充电时间如下：
初充电制：先用25A充6h，再用12.5A充6h（放电时用12.5A放4h）；
标准充电制：25A充7h；
快速充电制：50A充2.5h，再用25A充2h。快速充电方法仅在特殊情况下使用，不能作为常用的充电制度。
GN-100型镉镍碱性蓄电池具有能承受大电流、耐振动、耐冲击、对过充电和欠充电不很敏感、自放电极弱、寿命长等优点，且不散发有害气体。缺点是单个电池的电压较低，内阻大，放电时电压变化较大。
5.蓄电池的使用
（1）蓄电池使用时，最好采用正常的充放电制度，急用时方可采用快速充电。如遇过放电、反充电、小电流长期放电或间歇放电而造成容量损失，可用过充电制度充电恢复。充放电时，电解液要始终高于极板，低于极板时，应补充蒸馏水或电解液，要保证蒸馏水的纯度和电解液的密度。每使用10～15次充放电循环，应检查并调整电解液比重。
（2）启用新的或短期（一年以内）存放的蓄电池组，注入电解液后应浸泡2h以上，然后采用过充电制充电。长期（一年以上）存放的蓄电池组，需经2～3次正常充放电循环，恢复到额定容量后，方可正常充电使用。
（3）电解液容易吸收空气中的二氧化碳，增加碳酸盐含量，当含量超过50g／L时，蓄电池容量将显著降低。因此，一般使用一年左右或50～100次充放电循环应更换新电解液。更换新电解液时应在放电状态下进行，必要时还需用水清洗电槽，然后注入新电解液。
（4）环境温度升高或降低，蓄电池组容量和寿命均会降低。因此应根据环境温度选用合适的电解液。环境温度升高（＋35℃以上）影响充电效率，除应及时补加蒸馏水、调整电解液比重和缩短更换电解液周期外，还应采取降温措施，在冷风、空调环境或在夜间通风良好的地方充电。
（5）蓄电池组在低温环境（-15℃以下）使用，应选用比重大的氢氧化钾，充电最好在常温下进行，充电后再在低温环境中使用。如确需在低温下充电，宜采用快速充电制或过充电制充电。
（6）蓄电池正极与外壳相接，所以在使用、带电保存和运输中，导电体不能同时接触蓄电池的正、负极或同时接触外壳与负极。
（7）对随时使用或短期存放的蓄电池组，充电后可带电解液，拧紧气塞，在25℃以下干燥通风的地方存放。对于长期存放的蓄电池组，应在放电状态下倒掉电解液，清理干净，并在导电金属零件上涂上凡士林，以防锈蚀。
6.检修
（1）日常维护。
蓄电池使用中要经常维护，表面应清洁，气塞及绝缘件良好，无泄漏电解液现象，外壳耐碱绝缘的环氧磁漆层良好。定期检查液面高度，调整电解液比重。定期检查每只蓄电池的容量，及时更换电压过低的元件。各连接铜板及接线应无烧痕、腐蚀现象。机车入库检修，需长时间使用控制电源时，应外接电源，用正常充电制充电。
（2）定期检修。
蓄电池按规定周期自车上拆下做较大范围的检修时应逐个清扫元件，必要时可用70～80℃热水整体冲洗。检查电槽有无裂纹、漏液现象，气塞、绝缘件及密封件状态是否良好。检查元件的绝缘电阻及容量，每个元件的电压低于1V时应更新。
检查连接板及接线有无烧损、老化现象，连接螺帽是否紧固。电槽的漆层及连接板镀层应良好。双次定修时，应全部分解元件，电槽重新涂刷耐碱的绝缘漆。检查电解液面的高度及比重，进行充放电试验，每个元件的容量应达到额定容量的60%以上。蓄电池充电后，应再次检查液面高度及比重，排气2h后拧紧气塞备用。
7.常见故障及处理
蓄电池常见故障、可能原因及处理方法如表2-1所示。
表2-1 蓄电池常见故障、可能原因及处理方法
续表
（六）避雷器
避雷器是一种用来限制过电压幅值的保护装置，它与被保护电器并联，安装在车顶上。
雷电侵入时出现的过电压危及被保护电器时，避雷器放电，使高压冲击电流泄入大地，尔后，它仍能恢复原工作状态，截止伴随而来的正常工频电流，使电路与大地绝缘。过电压越高，火花间隙击穿越快，从而限制了加于被保护物上的过电压。
避雷器的主要类型有保护间隙、管型避雷器、阀型避雷器和氧化锌避雷器等。
保护间隙——是最简单形式的避雷器；管型避雷器——也是一个保护间隙，但它能在放电后自行灭弧；阀型避雷器——是将单个放电间隙分成许多短的串联间隙，同时增加了非线性电阻，提高了保护性能；氧化锌避雷器——利用了氧化锌阀片理想的伏安特性（非线性极高，即在大电流时呈低电阻特性，限制了避雷器上的电压，在正常工频电压下呈高电阻特性），具有无间隙、无续流、残压低等优点，也能限制内部过电压，被广泛使用。
1.避雷器的结构原理
避雷器通常由火花间隙和非线性电阻组成，其基本工作原理如图2-64所示。在正常电压下火花间隙是不会被击穿的，只有出现过电压时火花间隙才会被击穿，过电压的幅值越高，火花间隙被击穿得越快。
图2-64 避雷器的基本工作原理
2.氧化锌避雷器的工作原理
目前轨道交通车辆上较多地使用氧化锌避雷器，避雷器安装于机车顶部，是专用的过电压防护装置，主要用于机车一次侧高压电气设备的绝缘，使之免受大气过电压和操作过电压的损害。
氧化锌避雷器的主要元件是氧化锌阀片，它以氧化锌为主要成分，并附以多种精选过的、能产生非线性特性的金属氧化物添加剂，用高温烧结而成。它具有相当理想的伏秒特性，非线性极好，其非线性系数约为0.025。
该避雷器优异的伏秒特性可使其在正常工作电压下呈现高电阻，流过的电流非常小，可视为绝缘体，从而实现无间隙。而当系统上出现超过某一电压动作值的电压时，则呈低电阻，电流急剧增加，使避雷器残压被限制在允许值下，并将冲击电流迅速泄入大地，从而保护了与其并联的电力机车电气设备的绝缘。待电压恢复到正常工作范围时，电流又非常小，避雷器又呈绝缘状态。因此该避雷器不存在工频续流，也不影响系统的正常工作。无间隙、无续流正是其技术先进性的体现。
3.产品结构及特点
氧化锌避雷器主要由盖板组、避雷器阀体、瓷套及底座等组成，该装置用上下铁壳盖及密封圈等将氧化锌阀片密封在瓷套内，内部装有弹簧将阀片压紧，防止零件松动，保证零件间有可靠的电气连接。
氧化锌避雷器具有以下特点：
（1）无间隙。体积小，重量轻，通流容量大，抗老化能力强，运行寿命长。是理想的全天候避雷器。与放电间隙相比，不存在间隙放电电压随气候变化而变化的问题。
（2）非线性系数好，阀片电荷率高，保护性能优越。它不但能抑制雷电过电压，而且对操作过电压也有良好的抑制作用。
（3）无续流。由于氧化锌避雷器没有工频续流流过，因此不存在灭弧问题，使地面变电站因机车引起的不明跳闸故障大为减少。且减少了避雷器动作时通过的能量，可以承受多次雷击，延长了工作寿命。
（4）防污性能好，适用范围广。因为设计了防污型瓷套，保证了足够的爬电距离，故污秽不影响间隙电压，所以，在重污秽地区与传统避雷器相比有很大的优越性。
（5）防振性能好。对心体采取了防振及加固措施，减少了各部件之间的相对位移，使心体牢固地固定在瓷套内，适应了机车运行中振动频繁的要求。
（6）防爆性能好。使用了压力释放装置，在法兰侧面开一缺口，使气体定向释放。当避雷器在超负载动作或意外损坏时，瓷套内部压力剧增，使得压力释放装置动作，排出气体，从而保护瓷套不致爆炸，确保即使出现意外情况，车顶设备仍然完好，并能可靠运行。
4.安装
避雷器的安装应自下而上进行，在安装过程中，首先安装连接过渡板，要确保气体释放方向朝向机车外侧未安装电气设备的空旷区。高压端用软连接带与车顶母线连接，地线接在接地连接片上。避雷器退出运行时，其拆卸方向与安装方向逆向进行。
5.维护与保养
（1）在使用氧化锌避雷器的过程中，要始终保持瓷套表面干燥、光洁、无裂纹。每次回库定修时，需用干净软布擦拭瓷套，清除污垢。如瓷套表面污物无法清除干净，则用集流环屏蔽。
（2）每次回库定修时需检查喷口，不允许有开裂或缺口。
（3）每次回库定修时需检查导线和编织线，导线需连接紧固，编织线折损面积不得超过原截面的10%。
（4）运行过程中，原有刷漆部分每隔1～2年补漆一次。